Если коротко: астрономы нашли две планеты размером с Юпитер, у которых плотность — около 0,04 грамма на кубический сантиметр. Это легче сахарной ваты и в двадцать с лишним раз легче воды: такой шар, будь у вас достаточно большой стакан, просто всплыл бы на поверхность. И самое интересное тут не сам факт, а вопрос «как?»: как можно взвесить планету, до которой 1100 световых лет, которую не видно даже в сильный телескоп как отдельную точку, и которую в принципе нельзя потрогать?
Это канал «Обо всём», и сегодня разбираем именно механизм — не «учёные открыли», а «вот почему цифры получились такими и откуда они вообще взялись». История красивая: в ней есть провал в блеске звезды, опоздание на 50 минут и шар газа легче ваты.
Что нашли: два «Юпитера», которые плавали бы в воде
Звезда называется TOI-791 — обычная одиночная звезда класса F7, чуть горячее и крупнее нашего Солнца, примерно в 1100 световых годах от нас, в южном созвездии Летучей Рыбы (Volans). У неё обнаружили две планеты. Внутренняя, TOI-791 b, по размеру практически копия Юпитера — её радиус 0,993 радиуса Юпитера. Внешняя, TOI-791 c, даже чуть больше Юпитера, 1,155 его радиуса.
А теперь парадокс. Юпитер — это огромный, но всё-таки плотный газовый гигант: его средняя плотность 1,33 г/см³, чуть плотнее воды. У двух новых планет плотность — 0,038 ± 0,008 и 0,047 ± 0,006 г/см³. То есть при том же объёме массы в них в тридцать с лишним раз меньше. Для сравнения: плотность сахарной ваты — около 0,05 г/см³. Планеты реально легче ваты. Это, как пишут авторы, две из самых малоплотных гигантских планет, когда-либо измеренных.
Такой класс объектов называют «супер-пуховиками» (super-puff). Их известно меньше сорока, а систем, где сразу несколько таких планет у одной звезды, вообще единицы — поэтому TOI-791 для астрономов — находка не рядовая, а почти лабораторный образец.
Обе планеты неспешные: внутренняя обходит звезду за 139 суток, внешняя — за 232. Для сравнения, у «горячих юпитеров», которые ловят чаще всего, год длится считанные дни. А тут планеты на приличном удалении от звезды и совсем не горячие — и это, как мы увидим дальше, делает их пухлость отдельной загадкой.
Плотность 0,04 — это вообще много или мало?
Плотность — это просто «сколько вещества упаковано в заданный объём», граммы на кубический сантиметр. Кубик воды 1×1×1 см весит 1 грамм — это наш бытовой эталон. Всё, что легче воды, в ней плавает; всё, что тяжелее, тонет. Дерево (0,5–0,8) плавает, камень (2,6) тонет, железо (7,9) камнем идёт ко дну.
Теперь приложим эту линейку к космосу. Земля — 5,51 г/см³, это спрессованные камень и железо. Солнце в среднем 1,41 — несмотря на дикие температуры, гравитация сжимает его газ плотнее воды. Юпитер — 1,33. А TOI-791 b — 0,038. Разница между Землёй и этой планетой по плотности — почти в полтораста раз. Если бы существовал космический бассейн, Земля, Солнце и Юпитер утонули бы, а обе новые планеты болтались бы на поверхности, как воздушный шарик.
Важно не путать «лёгкая по плотности» с «лёгкая по массе в руке». Планета всё равно огромная и массивная — просто её вещество растянуто на колоссальный объём. Представьте мешок сахарной ваты размером с дом: он большой и ощутимый, но если считать на кубический сантиметр — там почти пустота.
Как взвесить планету, которую нельзя потрогать
Вот здесь начинается самое любопытное. Мы не можем прилететь к планете за 1100 световых лет и поставить её на весы. Мы вообще не видим её отдельно — она теряется в сиянии своей звезды. Значит, и размер, и массу приходится вычислять косвенно, по тому, как планета влияет на свет, который до нас доходит. И это два совершенно разных измерения.
Чтобы почувствовать масштаб: звезда для наших телескопов — яркая точка, а планета рядом в миллиарды раз тусклее и вплотную к этому слепящему свету. Сфотографировать её как отдельный объект сегодня невозможно. Остаётся читать следы, которые планета оставляет на свете звезды — и вся хитрость в том, какие именно следы с чем связаны.
Размер — из провала в блеске звезды
Первый фокус — транзит. Когда планета проходит точно между нами и своей звездой, она закрывает собой крошечную часть её диска, и яркость звезды чуть-чуть проседает — на доли процента. Глубина этого провала говорит, какую долю диска планета заслонила, а отсюда — её радиус. Именно так работает метод, которым NASA ищет и измеряет экзопланеты по кривой блеска: размер планеты читается прямо из того, насколько сильно потемнела звезда.
Эти провалы впервые заметил космический телескоп TESS — охотник за экзопланетами, который следит за яркостью сотен тысяч звёзд. Но у TOI-791 была проблема: планеты далеко от звезды, их «годы» длинные — больше сотни суток, — и транзиты случаются редко. Чтобы поймать их достаточно раз, понадобились не только космические данные, но и годы наблюдений с Земли, вплоть до телескопа ASTEP в Антарктиде, где полярная ночь позволяет следить за одной звездой непрерывно много часов подряд — а один транзит у этих планет длится больше 11 часов.
Почему опоздание на 50 минут выдаёт массу
Транзит дал размер. Но размер без массы ничего не говорит о плотности: шар может быть пустым, а может быть свинцовым. Массу обычно измеряют по лёгкому «покачиванию» звезды, которую планета тянет на себя гравитацией. Но у таких лёгких и далёких планет это покачивание слишком слабое, чтобы его надёжно поймать. Поэтому в ход пошёл другой, очень изящный приём — вариации времени транзитов (сокращённо TTV).
Суть вот в чём. У звезды две планеты, и они находятся в орбитальном резонансе 5:3: пока внутренняя делает пять оборотов, внешняя успевает ровно три. Такие планеты регулярно оказываются рядом и притягивают друг друга. Из-за этих взаимных рывков каждая то чуть ускоряется, то чуть тормозит — и её транзит приходит не секунда в секунду по расписанию, а то раньше, то позже, с разбросом до 50 минут.
А дальше — ключевой «ага-момент»: чем тяжелее планета-сосед, тем сильнее она дёргает партнёршу и тем больше это опоздание. Значит, по величине сдвига транзитов можно вычислить массы обеих планет — не трогая их, просто аккуратно засекая, на сколько минут каждая опоздала к «назначенному» времени. Планету буквально взвешивают по тому, насколько она сбивает расписание своей соседки.
И резонанс тут — не случайная деталь, а подарок. Будь планеты вразнобой, их толчки приходились бы на разные моменты и усреднялись бы, почти гася друг друга. А строгая пропорция 5:3 раз за разом повторяет сближения в одних и тех же точках орбиты, рывки складываются в одну сторону — и сдвиги накапливаются до заметных десятков минут, которые уже можно надёжно измерить.
Теперь всё сходится: размер мы знаем из глубины транзита, массу — из сдвигов его времени. А плотность — это просто масса, делённая на объём. И вот это деление и даёт ту самую ошеломляющую цифру: объём огромный, масса крошечная (всего несколько процентов массы Юпитера — порядка десятка земных), плотность — меньше, чем у сахарной ваты.
Так почему планета вообще такая пухлая?
Короткий честный ответ: окончательно — пока не знают, и это часть ценности находки. Но физика общего ответа понятна. Такие планеты состоят почти целиком из водорода и гелия — самых лёгких газов. Массы у них мало, а значит, и собственная гравитация слабая: ей просто нечем сжать эту газовую оболочку. В результате атмосфера раздувается в огромный рыхлый пузырь, и планета получается размером с Юпитер при массе в десятки раз меньше.
Обычных «горячих юпитеров» раздувает близость к звезде: жар накачивает атмосферу, как воздух в шарик. Но здесь случай другой — планеты довольно далеко от звезды и не горячие. Поэтому их пухлость — отдельная загадка: возможно, они ещё молоды и не успели остыть и осесть, возможно, родились в особых условиях, где газа вокруг было много, а твёрдого вещества для плотного ядра — мало.
Есть и осторожная оговорка, которую честно делают сами исследователи. Транзит измеряет радиус не «твёрдой поверхности» (её у газового шара нет), а той высоты, на которой атмосфера становится непрозрачной для света. Если планету окутывает высокая дымка или вокруг неё есть кольца, видимый радиус окажется больше настоящего «тела» планеты — и плотность на бумаге выйдет ещё ниже, чем на самом деле. Разобраться поможет только спектр: как пишут авторы, систему нужно дальше изучать, в том числе будущими наблюдениями.
Планета легче сахарной ваты — это не про вес в руке, а про то, что масса там растянута на гигантский объём. И узнали мы это, не долетев, а всего лишь терпеливо засекая, на сколько минут одна планета опаздывает из-за другой.
Зачем это нам
Казалось бы, экзотика за тысячу световых лет — какое нам дело? Но именно такие «неправильные» планеты проверяют наши теории на прочность. Модели образования планет должны объяснять не только аккуратные миры вроде Земли, но и вот эти газовые пуховики. Пара планет у одной звезды, да ещё в чётком резонансе, — это редкий случай, когда можно сравнить двух «родственников», сформировавшихся из одного и того же облака, и понять, что сделало их такими рыхлыми.
И ещё одно. Раздутая, рыхлая атмосфера — это огромная и удобная «мишень» для изучения состава: сквозь неё легче просветить звёздный свет и разобрать, из чего она сделана. Так что следующий шаг напрашивается сам — присмотреться к этим планетам чувствительными инструментами и наконец узнать, что намешано в шаре газа легче сахарной ваты.
Наконец, это наглядное напоминание, как вообще устроена наука о далёком космосе: мы почти никогда ничего не трогаем и редко видим напрямую. Почти всё знание добыто из косвенных следов — провалов яркости, смещений линий в спектре, запаздываний на считанные минуты. Планета легче ваты — хороший пример того, как из таких крупиц складывается конкретная, проверяемая цифра.
Коротко
• У звезды TOI-791 нашли две планеты размером с Юпитер и плотностью около 0,04 г/см³ — легче воды и даже легче сахарной ваты.
• Плотность — это масса на единицу объёма. Здесь объём огромный, а массы мало, поэтому цифра такая крошечная.
• Размер планеты узнают по глубине провала в блеске звезды во время транзита.
• Массу — по тому, на сколько минут планеты сбивают друг другу расписание транзитов (эффект TTV), ведь они в резонансе 5:3.
• Делим массу на объём — получаем плотность. Так и выходит «легче ваты».
• Почему планета такая пухлая — слабая гравитация не сжимает лёгкий газ; точные причины ещё предстоит выяснить, в том числе по спектру атмосферы.
Пока нет комментариев