Планета легче сахарной ваты: международная группа астрономов открыла уникальные экзопланеты-«супер-пуфы»

Антарктида, космос и сахарная вата. Казалось бы, что общего? Оказывается, всё это — части одной загадки. Пока Илон Маск грезит Марсом, астрономы замерзают на Южном полюсе, чтобы найти планеты, которые по плотности похожи не на камень, а на облако. И они нашли систему TOI-791. Это не просто «еще две экзопланеты». Это девятая известная система с парой «теплых юпитеров» — и, пожалуй, самая странная.

Почему Антарктида — это почти космос

Земная атмосфера — главный враг астронома. Она дрожит, искажает свет и крадет у нас четкость. Решение простое: улететь в космос или забраться повыше. Но есть место, где воздух настолько сухой и холодный, что по прозрачности почти равен вакууму. Это плато Купол Конкордия в Антарктиде. Высота — три километра над уровнем моря. Влага выморожена. И, что самое важное, — полярная ночь длится неделями.

Именно там работает телескоп ASTEP с зеркалом всего 40 сантиметров. Скромный инструмент. Но он сделал то, что не смогли гиганты: непрерывно следил за звездой TOI-791 сотни часов подряд. Без перерыва на восход. Именно эти данные позволили подтвердить существование двух планет, которые космический телескоп TESS только «заподозрил».

Транзитный марафон: как поймать 11-часовое затмение

Обычно поиск экзопланет — это лотерея. TESS смотрит на участок неба 27 дней, потом разворачивается. Если планета проходит перед звездой раз в 200 дней — велик шанс, что вы пропустите этот момент. А если транзит длится 11 часов, как в системе TOI-791, — наземные телескопы в средних широтах просто не успевают: солнце встает, и наблюдение прерывается.

В чем суть? Планеты TOI-791 b и TOI-791 c — это «теплые юпитеры». Они не жмутся к звезде, как их «горячие» собратья, но и не бродят где-то на окраинах. Их орбиты — 139 и 232 дня. Идеальный баланс для наблюдений, если у вас есть антарктическая зимовка. ASTEP использовал этот шанс на 100%.

Как взвесить планету, если звезда слишком быстрая

Чтобы понять, из чего состоит планета, нужно знать ее радиус (его дает транзит) и массу (ее дает метод лучевых скоростей). Но тут возникла проблема. Звезда TOI-791 вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью — 44 км/с. Это размывает ее спектральные линии до состояния «каши». Измерить крошечные колебания от гравитации планет на таком фоне — технически невозможно.

Ученые пошли другим путем. Они использовали метод вариаций времени транзитов (TTV). Это работает только в многопланетных системах. Планеты притягивают друг друга, слегка ускоряя или замедляя свое движение. В результате они то опаздывают, то приходят раньше расчетного времени. В системе TOI-791 это смещение достигает 50 минут. Смоделировав эти гравитационные качели, астрономы вычислили массы обеих планет. Элегантно и без лишних спектрографов.

Плотность сахарной ваты: аномалия, которая ломает шаблоны

А теперь самое интересное — цифры. Давайте сравним.

• Земля: плотность 5,51 г/см³.
• Вода: 1,0 г/см³.
• Сатурн: 0,69 г/см³ (самый рыхлый в Солнечной системе).
• TOI-791 b: 0,038 г/см³.
• TOI-791 c: 0,047 г/см³.

Это в 14 раз менее плотно, чем Сатурн. Это меньше, чем сахарная вата (0,05-0,1 г/см³). По сути, это гигантские шары из разреженного водорода и гелия, раздутые до размеров Юпитера, но весящие как Нептун. Такие объекты называют «super-puffs» — сверхпыхи.

Личное наблюдение автора: Недавно я пересматривал старые снимки Сатурна и думал, что он выглядит невесомым. Теперь я знаю, что есть объекты, которые буквально в 14 раз «воздушнее» него. Представьте себе планету, которая, если бы ее можно было поместить в гигантскую ванну, всплыла бы как пробка. Только вместо воды — вакуум.

Две гипотезы: раздутая атмосфера или гигантские кольца?

Как такое возможно? У ученых два основных объяснения. Первое: у планет крошечное каменное ядро (всего несколько масс Земли), окруженное чудовищной водородно-гелиевой мантией. Она составляет более 20% массы. Такая планета должна была сформироваться далеко от звезды, за «снеговой линией», нахватать там льда и газа, а потом мигрировать ближе к светилу.

Второе — более хитрое. А что, если планета на самом деле нормальной плотности, но мы ошиблись в расчетах радиуса? Если у нее есть плотная система колец, повернутая к нам ребром, то во время транзита мы видим не шар, а шар + кольца. Блокируется больше света, мы думаем, что планета огромная, и занижаем плотность. Эта гипотеза интригует, но пока не доказана.

Что дальше: «Джеймс Уэбб» возьмет след

Здесь и кроется главная ценность открытия. Из-за низкой гравитации атмосферы этих планет не сжаты, а «распушены». Это значит, что их внешние слои очень прозрачны. Когда планета проходит по диску звезды, свет проникает глубоко в газовую оболочку. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже запланировал наблюдения TOI-791. Он сможет «просветить» эти атмосферы и определить их химический состав: есть ли там вода, метан, углекислый газ.

Резюме от автора: Система TOI-791 — это не просто аномалия. Это тест-драйв наших теорий о том, как формируются планеты. Если «Джеймс Уэбб» подтвердит, что эти гиганты действительно состоят из газа плотностью с облако, нам придется переписывать учебники. Если же найдет кольца — мы получим новую оптическую иллюзию в космосе. В любом случае, смотреть на небо стало еще интереснее.