Кредит зображення: NWU
Своєрідні орбіти трьох планет, що кружляють навколо далекої зірки, можна пояснити лише в тому випадку, якщо невидима четверта планета пробилася крізь них і вибила їх із кругових орбіт, згідно з новим дослідженням дослідників Каліфорнійського університету, Берклі та Північно-Західного університету.
Висновок ґрунтується на комп’ютерних екстраполяціях 13-ти років спостережень за рухами планети навколо зірки Upsilon Andromedae. Це дозволяє припустити, що некруглі та часто високоеліптичні орбіти багатьох виявлених на сьогоднішній день екстрасолярних планет можуть бути результатом розсіювання планет одна від одної. У такому сценарії збурювальну планету можна було б вистрілити з системи цілком або можна вигнати на далеку орбіту, залишаючи внутрішні планети ексцентричними орбітами.
"Це, мабуть, одна з двох-трьох позасонячних систем, які мають найкращі спостереження та найсуворіші обмеження, і це розповідає унікальну історію", - сказав Ерік Форд, докторський співробітник Міллера з Берклі. "Наше пояснення полягає в тому, що початкова орбіта зовнішньої планети була круглою, але це отримало цей раптовий удар, який назавжди змінив орбіту на сильно ексцентричну. Щоб зробити цей удар, ми висунули гіпотезу, що є додаткова планета, яку ми зараз не бачимо. Ми вважаємо, що зараз розуміємо, як працює ця система ».
Якби така планета закарбувалася нашою Сонячною системою на початку своєї історії, зауважили дослідники, внутрішні планети, можливо, не мали б таких чудово круглих орбіт, і, виходячи з поточних припущень про походження життя, клімат Землі міг би занадто сильно коливатися. щоб життя виникло.
"Хоча планети в нашій Сонячній системі залишаються стабільними протягом мільярдів років, це було не так для планет, що обертаються навколо Upsilon Andromedae", - сказав Форд. "Хоча ці планети могли сформуватися аналогічно Юпітеру та Сатурну, їх нинішні орбіти були скульптовані пізньою фазою хаотичних та насильницьких взаємодій".
За словами колеги Форда, Фредеріка А. Расьо, доцента фізики та астрономії на Північно-Заході, "Наші результати показують, що простий механізм, який часто називають" розсіювання планети-планети "- свого роду рогатка внаслідок раптового гравітаційного потягу між двома планети, коли вони наближаються один до одного - повинні відповідати за сильно ексцентричні орбіти, що спостерігаються в системі Andromedae Upsilon. Ми вважаємо, що розсіювання планети і планети часто відбувалося в позасонячних планетарних системах, а не тільки в цій, внаслідок сильних нестабільності. Отже, хоча планетарні системи навколо інших зірок можуть бути загальними, види систем, які могли б підтримувати життя, які, як і наша Сонячна система, імовірно, повинні залишатися стабільними протягом дуже тривалих масштабів часу, можуть бути не такими поширеними ».
Про комп'ютерні симуляції повідомляється у випуску часопису Nature від 14 квітня від Ford, Расіо та Верене Лістад, студентки спеціальності фізики Північно-Західного регіону. Форд був студентом Расіо в Массачусетському технологічному інституті до того, як продовжував навчання в аспірантурі в Принстонському університеті та приїжджав до Університету Берклі в 2004 році.
Планетарна система навколо Upsilon Andromedae - одна з найбільш вивчених 160-ти систем з планетами, виявленими поки що поза нашою сонячною системою. Внутрішня планета, «гарячий Юпітер», настільки близька до зірки, що її орбіта становить лише кілька днів, була відкрита в 1996 році Джеффом Марсі UC Berkeley та його командою з полювання на планету. Дві зовнішні планети з подовженими орбітами, які сильно обурюють одна одну, були виявлені в 1999 році. Ці три, величезні, подібні до Юпітера планети навколо Upsilon Andromedae, складали першу позасонячну багатопланетну систему, виявлену доплерівською спектроскопією.
Через незвичність планетарних орбіт навколо Upsilon Andromedae, Марсі та його команда інтенсивно вивчали це, зробивши майже 500 спостережень - у 10 разів більше, ніж для більшості інших виявлених позасонячних планет. Ці спостереження, коливання руху зірки, викликані орбітальними планетами, дозволяють дуже точно відобразити руху планет навколо зірки.
"Спостереження настільки точні, що ми можемо спостерігати і прогнозувати, що відбуватиметься протягом десятків тисяч років у майбутньому", - сказав Форд.
Сьогодні, поки внутрішня планета стискається близько до зірки, дві зовнішні планети орбітують на орбітах у формі яйця. Комп'ютерне моделювання минулих та майбутніх змін орбіти показало, однак, що зовнішні планети займаються повторюваним танцем, який раз на 7000 років наводить орбіту середньої планети на коло.
"Така властивість повернення на дуже кругову орбіту є надзвичайно чудовою і, як правило, не відбувається", - сказав Форд. «Природне пояснення полягає в тому, що колись вони були обома на кругових орбітах, і один отримав великий удар, який змусив його стати ексцентричним. Тоді наступна еволюція призвела до того, що інша планета зростає ексцентриситетом, але через збереження енергії та імпульсу імпульсу періодично повертається на майже майже кругову орбіту ».
Раніше астрономи пропонували два можливі сценарії формування планетної системи Upsilon Andromedae, але даних спостережень ще не були достатніми для розрізнення двох моделей. Інший астроном, Рену Малхотра з університету Арізони, раніше припускав, що розсіювання планети і планети, можливо, збуджувало ексцентриситети в Upsilon Andromedae. Але альтернативне пояснення стверджувало, що взаємодія між планетами та газовим диском, що оточує зірку, також могла б створити такі ексцентричні орбіти. Поєднуючи додаткові дані спостереження з новими комп'ютерними моделями, Форд та його колеги змогли показати, що взаємодія з газовим диском не призвело б до спостережуваних орбіт, але взаємодія з іншою планетою природно їх виробляє.
"Основна відмінна риса цих теорій полягала в тому, що взаємодія із зовнішнім диском призведе до того, що орбіти змінюватимуться дуже повільно, а сильна взаємодія з планетою, що минає, призведе до того, що орбіти будуть змінюватися дуже швидко порівняно зі шкалою часу 7000 років для орбіти розвиваються », - сказав Форд. "Оскільки дві гіпотези дають різні прогнози еволюції системи, ми можемо обмежувати історію системи на основі поточних планетарних орбіт."
Форд заявив, що як планети, що утворюються всередині диска газу і пилу, тягання планет зберегло б їх орбіти круглими. Однак, коли пил і газ розсіювалися, тільки взаємодія з планетою, що минає, могла створити особливі орбіти двох зовнішніх планет, що спостерігаються сьогодні. Можливо, зазначав він, турбуюча планета була вбита у внутрішні планети взаємодією з іншими планетами, далекими від центральної зірки.
Однак все, що почалося, хаотичні взаємодії створили б дуже ексцентричну орбіту для третьої планети, яка також поступово збурила орбіту другої планети. Оскільки зовнішня планета домінує над системою, вона з часом збурювала орбіту середньої планети достатньо, щоб вона повільно деформувалася і на ексцентричну орбіту, що спостерігається сьогодні, хоча кожні 7000 років або більше середня планета повертається поступово до кругової орбіта.
"Саме це робить систему такою особливою", - сказав Расіо. "Зазвичай, гравітаційне з'єднання двох еліптичних орбіт ніколи не змусить повернутися до майже ідеального кола. Гурток дуже особливий ».
"Спочатку основною метою нашого дослідження було моделювання планетарної системи Upsilon Andromedae, по суті для того, щоб визначити, чи зовнішні дві планети лежать в одній площині, як це роблять планети в Сонячній системі", - сказав Лістад, який почав працювати з Расіо коли вона була другокурсницею і робила багато комп'ютерних інтеграцій у рамках своєї старшої дипломної роботи. "Ми з подивом виявили, що для багатьох наших симуляцій було важко сказати, чи планети перебувають в одній площині через те, що орбіта середньої планети періодично стає такою майже круговою. Як тільки ми помітили, що ця дивна поведінка присутня у всіх наших моделюваннях, ми визнали її знаком системи, яка зазнала розсіювання планети-планети. Ми зрозуміли, що відбувається щось набагато цікавіше, ніж хто-небудь раніше.
Розуміння того, що сталося під час формування та еволюції Upsilon Andromedae та інших позасонячних планетарних систем, має великі наслідки для нашої Сонячної системи.
"Як тільки ви зрозумієте, що більшість відомих позасонячних планет мають дуже ексцентричні орбіти (як планети в Upsilon Andromedae), ви починаєте замислюватися, чи може щось особливе у нашій Сонячній системі", - сказав Форд. "Чи може бути жорстоке розсіяння планети та планети настільки поширене, що мало планетарних систем залишаються спокійними та придатними для життя? На щастя, астрономи - під керівництвом Джеффа Марсі, професора астрономії в УК Берклі - старанно роблять спостереження, які врешті-решт дадуть відповідь на це хвилююче питання ».
Дослідження було підтримано Національним науковим фондом та Інститутом фундаментальних досліджень Університету Берклі.
Оригінальне джерело: Berkeley News Release
