Кредит изображения: NWU
Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Калифорнийского университета, Беркли и Северо-Западного университета, своеобразные орбиты трех планет, вращающихся вокруг далекой звезды, могут быть объяснены только в том случае, если невидимая четвертая планета провалилась и выбила их из круговых орбит.
Вывод основан на компьютерных экстраполяциях 13-летних наблюдений за движением планет вокруг звезды Upsilon Andromedae. Это предполагает, что некруглые и часто сильно эллиптические орбиты многих из внесолнечных планет, открытых к настоящему времени, могут быть результатом рассеяния планет друг от друга. При таком сценарии возмущающая планета может быть полностью выведена из системы или может быть выведена на дальнюю орбиту, оставляя внутренние планеты с эксцентричными орбитами.
«Вероятно, это одна из двух или трех внесолнечных систем, которые имеют лучшие наблюдения и самые жесткие ограничения, и это рассказывает уникальную историю», - сказал Эрик Форд, сотрудник докторской диссертации Миллера из Калифорнийского университета в Беркли. «Наше объяснение состоит в том, что первоначальная орбита внешней планеты была круглой, но она получила этот внезапный удар, который навсегда изменил ее орбиту на очень эксцентричную. Чтобы обеспечить этот удар, мы предположили, что была еще одна планета, которую мы не видим сейчас. Мы считаем, что теперь мы понимаем, как работает эта система ».
Исследователи отметили, что если бы такая планета прошла через нашу солнечную систему на ранних этапах своей истории, то внутренние планеты могли бы не иметь таких крутых орбит, и, исходя из текущих предположений о происхождении жизни, климат Земли мог бы слишком сильно колебаться. чтобы жизнь возникла.
«Хотя планеты в нашей солнечной системе остаются стабильными в течение миллиардов лет, это не относится к планетам, вращающимся вокруг Upsilon Andromedae», - сказал Форд. «Хотя эти планеты могли сформироваться аналогично Юпитеру и Сатурну, их текущие орбиты были сформированы поздней фазой хаотических и насильственных взаимодействий».
По словам коллеги Форда Фредерика А. Разио, доцента физики и астрономии в Северо-западном регионе, «наши результаты показывают, что простой механизм, часто называемый« рассеянием планет-планет », - своего рода эффект рогатки из-за внезапного гравитационного притяжения между двумя планеты, когда они находятся очень близко друг к другу, должны отвечать за чрезвычайно эксцентричные орбиты, наблюдаемые в системе Upsilon Andromedae. Мы полагаем, что рассеяние планеты-планеты часто происходило в внесолнечных планетных системах, а не только в этой, вследствие сильной нестабильности. Таким образом, хотя планетные системы вокруг других звезд могут быть общими, виды систем, которые могут поддерживать жизнь, которые, как и наша солнечная система, предположительно должны оставаться стабильными в течение очень длительных временных масштабов, могут быть не столь распространенными ».
Компьютерные симуляции опубликованы в выпуске журнала Nature от 14 апреля Фордом, Расио и Верен Листад, студентом, изучающим физику в Северо-западном регионе. Форд учился в Расио в Массачусетском технологическом институте, после чего продолжил обучение в Принстонском университете и прибыл в Калифорнийский университет в Беркли в 2004 году.
Планетная система вокруг Upsilon Andromedae является одной из наиболее изученных из 160 с небольшим систем, планеты которых обнаружены далеко за пределами нашей Солнечной системы. Внутренняя планета, «горячий Юпитер», настолько близкий к звезде, что ее орбита занимает всего несколько дней, была открыта в 1996 году Джеффом Марси из Калифорнийского университета в Беркли и его командой по поиску планет. Две внешние планеты с вытянутыми орбитами, которые сильно возмущают друг друга, были открыты в 1999 году. Эти три огромные, похожие на Юпитер планеты вокруг Upsilon Andromedae составили первую многопланетную внесолнечную систему, обнаруженную методом доплеровской спектроскопии.
Из-за необычной природы планетарных орбит вокруг Апсилона Андромеды, Марси и его команда интенсивно изучали его, выполнив около 500 наблюдений - в 10 раз больше, чем для большинства других обнаруженных внесолнечных планет. Эти наблюдения, колебания в движении звезды, вызванные вращающимися планетами, позволяют очень точно составить карту движения планет вокруг звезды.
«Наблюдения настолько точны, что мы можем наблюдать и прогнозировать, что произойдет в будущем на десятки тысяч лет», - сказал Форд.
Сегодня, в то время как самая внутренняя планета приближается к звезде, две внешние планеты движутся по орбите в форме яйца. Компьютерное моделирование прошлых и будущих изменений орбиты показало, однако, что внешние планеты участвуют в повторяющихся танцах, которые раз в 7000 лет приводят орбиту средней планеты к кругу.
«Это свойство возвращения на очень круговую орбиту весьма примечательно и, как правило, не происходит», - сказал Форд. «Естественное объяснение состоит в том, что они когда-то были на круговых орбитах, и один получил большой удар, который заставил его стать эксцентричным. Затем последующая эволюция заставила другую планету нарастить свой эксцентриситет, но из-за сохранения энергии и углового момента она периодически возвращается на почти почти круговую орбиту ».
Ранее астрономы предлагали два возможных сценария формирования системы планет Ипсилона Андромеды, но данных наблюдений еще не было достаточно, чтобы различить две модели. Другой астроном, Рену Малхотра из Университета Аризоны, ранее предполагал, что рассеяние на планетах и планетах могло возбудить эксцентриситеты в Upsilon Andromedae. Но альтернативное объяснение утверждало, что взаимодействия между планетами и газовым диском, окружающим звезду, могли также произвести такие эксцентричные орбиты. Объединив дополнительные данные наблюдений с новыми компьютерными моделями, Форд и его коллеги смогли показать, что взаимодействие с газовым диском не привело бы к появлению наблюдаемых орбит, но что взаимодействие с другой планетой естественным образом породило бы их.
«Ключевой отличительной чертой этих теорий было то, что взаимодействие с внешним диском вызывало бы очень медленное изменение орбит, а сильное взаимодействие с проходящей планетой приводило бы к очень быстрому изменению орбит по сравнению с 7000-летней шкалой времени для орбиты, чтобы развиваться, ”сказал Форд. «Поскольку две гипотезы делают разные предсказания для эволюции системы, мы можем ограничить историю системы на основе текущих планетарных орбит».
Форд сказал, что, поскольку планеты образовались внутри диска из газа и пыли, сопротивление планет сохраняло бы их орбиты круговыми. Однако, когда пыль и газ рассеялись, только взаимодействие с проходящей планетой могло бы создать особые орбиты двух внешних планет, наблюдаемые сегодня. Возможно, он отметил, что возмущающая планета была сбита во внутренние планеты взаимодействием с другими планетами, удаленными от центральной звезды.
Как бы то ни было, начавшееся хаотическое взаимодействие создало бы очень эксцентричную орбиту для третьей планеты, которая затем также постепенно нарушала орбиту второй планеты. Поскольку внешняя планета доминирует в системе, она со временем возмущает орбиту средней планеты, достаточно медленно, чтобы деформировать ее и в эксцентричную орбиту, что и наблюдается сегодня, хотя каждые 7000 лет или около того средняя планета постепенно возвращается к круговой. орбита.
«Это то, что делает систему такой своеобразной», - сказал Расио. «Обычно гравитационная связь между двумя эллиптическими орбитами никогда не заставит человека вернуться к почти идеальному кругу. Круг очень особенный.
«Первоначально главная цель нашего исследования состояла в том, чтобы смоделировать планетную систему Ипсилон Андромеды, по существу, чтобы определить, лежат ли внешние две планеты в одной плоскости, как планеты солнечной системы», - сказал Листад, который начал работать с Расио. когда она была второкурсницей и сделала много компьютерных интеграций как часть ее старшей диссертации. «Мы были удивлены, обнаружив, что для многих наших симуляций было трудно определить, находились ли планеты в одной плоскости, из-за того, что орбита средней планеты периодически становилась почти круглой. Как только мы заметили, что это странное поведение присутствовало во всех наших симуляциях, мы увидели его как признак системы, которая подверглась рассеянию планет. Мы поняли, что происходит нечто гораздо более интересное, чем кто-либо раньше ».
Понимание того, что произошло во время формирования и развития Upsilon Andromedae и других внесолнечных планетных систем, имеет большое значение для нашей собственной солнечной системы.
«Как только вы осознаете, что большинство известных внесолнечных планет имеют очень эксцентричные орбиты (как планеты в Upsilon Andromedae), вы начинаете задумываться, не может ли быть что-то особенное в нашей солнечной системе», - сказал Форд. «Может ли насильственное рассеяние планет-планет быть настолько распространенным, что лишь немногие планетные системы остаются спокойными и пригодными для обитания? К счастью, астрономы - во главе с Джеффом Марси, профессором астрономии в Калифорнийском университете в Беркли, - старательно делают наблюдения, которые в конечном итоге ответят на этот волнующий вопрос ».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Институтом фундаментальных исследований Миллера при Университете Беркли.
Первоисточник: Пресс-релиз Беркли
