Загадка падающей на звезду планеты WASP-12b стала ещё сложнее
Астрономы исключили одно из возможных объяснений необычно быстрого разрушения орбиты горячего Юпитера WASP-12b. Новое исследование показало, что гипотетическая вторая планета, которая могла бы поддерживать сильный наклон оси WASP-12b и тем самым усиливать приливное рассеяние энергии, должна быть значительно массивнее, чем считалось ранее. Однако анализ наблюдений не обнаружил такого объекта. В результате причина быстрого сближения WASP-12b со своей звездой остаётся неизвестной.
WASP-12b — одна из наиболее необычных известных экзопланет. Это горячий Юпитер массой около 1,45 массы Юпитера и радиусом примерно 1,9 радиуса Юпитера. Он находится чрезвычайно близко к своей звезде и совершает полный оборот всего за 1,09 земных суток. Многолетние наблюдения показали, что орбитальный период планеты сокращается примерно на 29 ± 2 миллисекунды в год. Если нынешняя скорость изменения орбиты сохранится, характерное оставшееся время её существования на этой орбите составляет менее примерно 3 миллионов лет.
На первый взгляд происходящее можно объяснить приливным взаимодействием между планетой и звездой. Гравитация WASP-12b деформирует звезду, а возникающие при этом силы постепенно отнимают энергию у орбиты, заставляя планету приближаться к светилу. Однако наблюдаемое сокращение орбиты происходит значительно быстрее, чем предсказывают стандартные модели. Учёные рассматривали несколько механизмов, способных усилить рассеивание орбитальной энергии, включая влияние эксцентриситета и динамические процессы внутри звезды. Последние могли бы объяснить наблюдения, если бы WASP-12 уже перешла в стадию субгиганта, однако современные модели в основном указывают на то, что звезда всё ещё находится на главной последовательности.
Несколько лет назад исследователи предложили другое объяснение. Ось вращения WASP-12b могла быть сильно наклонена относительно её орбиты. Возникающие из-за этого приливы внутри самой планеты способны эффективно рассеивать орбитальную энергию и ускорять её движение к звезде. Но такой механизм имеет существенную проблему: приливное взаимодействие постепенно выравнивает ось планеты, после чего дополнительное рассеяние энергии должно прекратиться.
Чтобы большой наклон оси WASP-12b сохранялся долгое время, учёные предположили существование в системе ещё одной планеты. Её гравитация могла бы постоянно возмущать орбиту WASP-12b и не позволять оси планеты полностью выровняться. По первоначальным расчётам, для этого могло быть достаточно сравнительно небольшого компаньона массой около 10–20 масс Земли на близкой орбите.
Калеб Ламмерс из Принстонского университета и его коллеги заново проверили этот сценарий, уделив особое внимание сохранению углового момента системы и её динамической устойчивости. Оказалось, что небольшой планеты недостаточно. Чтобы механизм работал, масса предполагаемого компаньона должна составлять как минимум около 65 масс Земли, а большая полуось его орбиты — не менее примерно 0,06 астрономической единицы. Это уже объект значительно массивнее Нептуна, который было бы гораздо легче обнаружить.
Исследователи поэтому обратились к измерениям лучевой скорости WASP-12. Они объединили данные спектрографов SOPHIE, HARPS-N, HIRES и NEID, добавив четыре новых измерения. После отбора в анализ вошли 106 измерений лучевой скорости. Метод позволяет искать невидимые планеты по небольшим периодическим движениям звезды под действием их гравитации.
Нужного сигнала обнаружено не было. Авторы получили ограничение: для возможных компаньонов внутри 3 астрономических единиц амплитуда вызываемых ими колебаний лучевой скорости должна быть менее примерно 14 м/с с вероятностью 95%. Такое ограничение исключает планету, достаточно массивную и расположенную достаточно близко, чтобы поддерживать предложенный механизм.
Любопытно, что чувствительность данных оказалась достаточной для обнаружения гораздо более слабого эффекта. Исследователи зарегистрировали изменение лучевой скорости звезды с амплитудой около 6,2 ± 1,7 м/с, вызванное приливной деформацией самой WASP-12 под действием гигантской планеты. Значимость этого сигнала составила около 3,7σ.
Таким образом, новая работа не ставит под сомнение само сокращение орбиты WASP-12b. Напротив, оно хорошо установлено наблюдениями. Исследование исключает конкретное объяснение: сценарий, в котором скрытая внешняя планета поддерживает большой наклон оси WASP-12b и тем самым позволяет приливам внутри планеты обеспечивать наблюдаемую скорость сближения со звездой.
В результате загадка стала ещё сложнее. WASP-12b остаётся единственной планетой, для которой орбитальный распад считается надёжно обнаруженным, однако механизм, способный объяснить его необычно высокую скорость, пока не установлен. Именно поэтому система представляет особый интерес: она позволяет наблюдать процессы, которые в далёком будущем могут привести к разрушению планеты у самой звезды.
Исследование принято к в журнале The Astrophysical Journal Letters.