МЕГАЗЕМЛИ, КОТОРЫХ, СКОРЕЕ ВСЕГО, НЕТ

Теория формирования планет ставит каменным мирам потолок. Растущее ядро, превысившее примерно 10 масс Земли, уже не может избежать неуправляемой аккреции газа: оно втягивает газ из диска вокруг своей молодой звезды и становится богатой газом планетой. Моделирование столкновений и эрозии даёт тот же предел. Измерения реальных планет помещают переход от голого камня к мирам в газовой оболочке ещё ниже — около 4–5 масс Земли.

И всё же в последние годы нашлось несколько планет с плотностью камня и массами намного больше десяти Земель. Некоторые астрономы называют их «мегаземлями». Чтобы их объяснить, понадобились бы экзотические истории: поздние столкновения после исчезновения газового диска или оголённые ядра бывших гигантов.

Кейси Бринкман и Николас Коуэн из Космического института Тротье при Университете Макгилла в Монреале задали вопрос попроще: действительно ли эти планеты такие тяжёлые?

Как взвесить планету по покачиванию звезды

Большинство этих масс получено из лучевых скоростей: обращаясь по орбите, планета раскачивает свою звезду взад-вперёд, и свет звезды очень слабо смещается по цвету. Амплитуда этого покачивания даёт массу планеты.

Беда в том, что звёзды не бывают спокойными. На магнитно-активных звёздах есть тёмные пятна и яркие участки, вращающиеся вместе со звездой. Они добавляют шум в измерения, а пятно, поворачивающееся в поле зрения, может имитировать — или завышать — сигнал планеты.

Восемь подозреваемых, одна общая черта

Исследователи начали с архива экзопланет NASA (NASA Exoplanet Archive) и отобрали 333 планеты меньше четырёх радиусов Земли с надёжным радиусом и массой по лучевым скоростям. Они нашли:

4 планеты с плотностью камня и массой больше 10 земных: WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c и HD 63433 b.
Ещё 4 выше предела почти без водородно-гелиевой оболочки: GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b и GJ 143 b.

Чтобы измерить активность каждой родительской звезды, они использовали индекс, основанный на свечении кальция в горячем внешнем слое звезды, которое усиливается при магнитном нагреве. При значении выше −4,75 звезда считается активной. Измерения яркости миссии TESS также показывают, как каждая звезда тускнеет и становится ярче по мере вращения пятен.

Результат: все восемь обращаются вокруг активных звёзд. Среди 37 звёзд, для которых есть и масса планеты, и измерение активности, активны только 13.

Шансы на совпадение

Если бы мегаземли были распределены равномерно, вероятность того, что все четыре каменистые окажутся у активных звёзд, составила бы:

p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0.01

Около 1%. Если добавить остальные четыре, она падает до 0,0003.

Может быть, молодые активные звёзды просто лучше умеют создавать мегаземли? Авторы не видят для этого причин. Чтобы сформировать такую планету, нужны дополнительные столкновения, миграция внутрь на орбиты с периодом от 0,8 до 20 дней и, возможно, потеря плотной атмосферы — а всё это требует времени. Скорее уж такие миры должны тяготеть к более старым звёздам.

Где массы сбиваются

Во всех исходных измерениях использовались гауссовские процессы — статистический инструмент, моделирующий шум звезды, чтобы отделить сигнал планеты. Но слишком гибкая модель может впитать не тот сигнал и выдать завышенные массы. Случаи выглядят шаткими:

У WASP-84 дрожание звезды (около 13 м/с) больше сигнала планеты (7,7 м/с).
TOI-2322 совершает оборот вокруг оси за 21,28 дня; её планета обращается за 20,23 дня.
HD 63433 b, самую тяжёлую — 37 масс Земли, — вторая команда вообще не обнаружила и установила верхний предел в 21 массу Земли.
Три планеты оказываются ниже опубликованного порога отношения сигнал/шум, под которым такие модели заведомо ненадёжны.

Авторы напоминают о прецеденте: у другой планеты масса оказалась завышена втрое из-за неучтённого периодического сигнала.

Каменных гигантов нет — пока

Их вывод: убедительных свидетельств существования каменных планет тяжелее десяти масс Земли нет. К массам планет у активных звёзд, полученным по лучевым скоростям, стоит относиться скептически, «особенно когда существование таких планет бросало бы вызов нашим представлениям о формировании планет». Авторы предлагают планировать наблюдения так, чтобы хорошо охватить и активность звезды, и планету.

Аргумент статистический и опирается на небольшую выборку: восемь планет и 37 звёзд. Авторы не пересчитывали исходные подгонки масс.