Система HR 8799 находится на расстоянии 135 световых лет от нас. Она состоит из звезды типа А возрастом 30-40 миллионов лет и четырех планет, которые в пять раз массивнее Юпитера и которые вращаются очень близко друг к другу. Система также содержит два диска обломков, один из которых находится внутри орбиты ближайшей к звезде планеты, а другой – за пределами самой дальней. Недавние исследования показали, что четыре планеты двигаются в идеальном ритме: орбита каждой в два раза больше орбиты своего соседа.

Звезда HR 8799 примерно в полтора раза массивнее Солнца и почти в пять раз ярче. Ей около 30 миллионов лет, и она по-прежнему окружена диском из обломков и пыли. Но главное – рядом летают четыре планеты массой от 5,7 до 9,1 массы Юпитера. Для сравнения: при массе свыше 13 масс Юпитера уже запускается термоядерная реакция, и объект попадает в категорию коричневых карликов.

У всех планет системы HR 8799 радиус чуть больше, чем у нашего газового гиганта (1,2 радиуса Юпитера). И летают они на расстоянии от 16 до 71 астрономической единицы от звезды с орбитальным периодом 45-460 земных лет. Сама система находится примерно в 133 световых годах от Земли.

Астрономам редко встречаются большие планеты, радиус орбиты которых больше пяти астрономических единиц, а тут их сразу несколько.

Благодаря данным инструмента MIRI телескопа «Джеймс Уэбб», наблюдавшего за системой в ноябре 2022 года, астрономы окончательно убедились, что ни одна из планет не является коричневым карликом, хотя такие сомнения были. Их температура – от 900 до 1300 кельвинов, причем самая дальняя планета HR 8799 b оказалась тусклее и холоднее, чем считалось. В атмосферах удалось засечь H2O и CO, а вот наличие метана – обязательного признака коричневых карликов – оказалось спорным.

Также наконец получилось увидеть околозвездный диск, который примечателен разделением на два пояса. Звучали версии, будто такое разделение спровоцировала пятая планета, но наблюдения «Джеймс Уэбб» показали, что эта пятая «планета» – далекая галактика.

Астрономы измерили продолжительность дня на экзопланетах в системе HR 8799, расположенной в 129 световых годах от Земли. Планетная система, обнаруженная в 2008 году, состоит из четырех супер-юпитеров – газовых гигантов, которые на порядок массивнее Юпитера в Солнечной системе.

Измерения проводили с помощью инструмента Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), который способен различать спектры с близкими длинами волн, то есть обладает разрешением, достаточным для определения скорости вращения планет. Оказалось, что скорость для HR 8799 d и HR 8799 e составляют 10,1 километра в секунду и 15 километров в секунду, соответственно. Это означает, что продолжительность дня может составлять от 3 до 24 часов, как на Земле, в зависимости от наклона планет, который в настоящее время не определен. Для контекста, Юпитер имеет скорость вращения около 12,7 километра в секунду, а один день на Юпитере длится почти 10 часов.

Ученые также смогли определить верхний предел скорости вращения третьей планеты HR 8799 c, равный 14 километрам в секунду. Скорость вращения четвертой планеты, HR 8799 b, пока не может быть окончательно определена.

Ученые решили узнать окончательную судьбу системы, создав модель, которая позволила им играть в «планетарный пинбол», исследуя, что может вызвать дестабилизацию идеального ритма. Они определили, что резонанс, который держит вместе четыре планеты, вероятно, сохранится в течение следующих трех миллиардов лет, несмотря на влияние галактических приливов. Однако резонанс неизбежно нарушится, когда звезда войдет в фазу, в которой она сначала становится красным гигантом, увеличиваясь в несколько сотен раз по сравнению с нынешними размерами, а затем выбрасывает почти половину своей массы, превращаясь в белого карлика.

Затем система из ритмичной превратится в очень хаотичную – и движения планет станут очень неопределенными. Даже изменение положения планеты на сантиметр в начале процесса может кардинально изменить движение всей системы.

Независимо от точного движения планет, одна вещь, в которой астрономы уверены, – это то, что планеты будут перемещаться достаточно, чтобы вытеснить материал с дисков обломков системы в атмосферу звезды. Именно этот тип обломков анализируют сегодня астрономы, чтобы узнать историю других систем белых карликов.

Первых же достоверных свидетельств существования экзопланет и их наблюдений пришлось ждать почти до конца XX века. И довольно быстро такие открытия начали сыпаться, как из рога изобилия. Причем, как правило, сами экзопланеты мы не видим. Телескопы лишь регистрируют слабое периодическое падение блеска звезды, по диску которой проходит планета (так называемый транзитный метод, который использовал, например, самый известный «охотник» за экзопланетами – телескоп «Кеплер»), или «дрожание» спектра звезды, которая отклоняется под действием гравитации планеты (метод Доплера).

Но иногда удается «вычесть» из общей картинки свет звезды и наблюдать расположенные от нее далекие планеты напрямую. К таким редчайшим случаям и относится система звезды HR 8799, расположенная в созвездии Пегаса на расстоянии 129 световых лет от нас.

Немного о самой звезде. HR 8799 – яркая переменная звезда из Йельского каталога ярких звезд, в который входят все звезды, которые хотя бы теоретически можно увидеть невооруженным глазом (то есть звезды ярче 6,5 звездной величины). Она очень молодая (системе HR 8799 – всего около 60 миллионов лет – она возникла тогда, когда уже вымерли динозавры!) и относится к классу пекулярных («неправильных») звезд типа Лямбда Волопаса, у которых понижено на один-два порядка содержание тяжелых элементов (железо и близкие элементы в таблице Менделеева) в верхних слоях, а также к звездам типа Веги, у которых из-за наличия пылевого диска наблюдается избыточное инфракрасное излучение.

В 2008 году у HR 8799 прямым наблюдением были обнаружены первые три планеты. Это событие удостоилось публикации в журнале Science. В 2010 году обнаружили четвертую, самую близкую к звезде (статья вышла в Nature). Тогда же у одной из планет этой системы впервые в истории астрономии удалось снять спектр.

О том, насколько сложной оказалась задача, говорят сами ученые: «Представьте себе, что вам нужно определить, из чего сделана горящая на расстоянии двух километров от вас свеча, при условии, что рядом с ней сияет 300-ваттная лампа». Тем не менее, это удалось сделать, и оказалось, что в атмосфере планеты, разогретой до 800 градусов, отсутствует метан, зато есть вода и монооксид углерода. В 2014 году удалось получить спектры еще двух планет.

Опубликованное видео орбитального движения смонтировано из изображений, полученных наблюдениями на одном из телескопов обсерватории Кека на протяжении семи лет. На нем великолепно видно движение всех четырех планет на их орбитах. Это стало возможным благодаря тому, что все планеты большие, – по оценкам их массы составляют 9, 10, 10 и 7 масс Юпитера, – и находятся достаточно далеко от своей звезды: на удалении 14,5, 24, 38 и 68 а. е. соответственно (для сравнения: Сатурн в среднем удален от Солнца на 9,5 а. е., Уран – на 19,2 а. е., а Нептун – на 30 а. е.). Периоды обращения составляют примерно 45, 100, 190 и 460 лет. Несмотря на это, вращение всех планет за 7 лет прекрасно заметно. Компьютерная программа позволила заполнить разрывы в движении и сделать картинку более плавной, чем если бы она была составлена только из отдельных кадров.

Кроме планет, у звезды есть и огромный пылевой диск, который тоже активно изучается астрономами (в основном, при помощи инфракрасного космического телескопа «Спитцер» – как уже говорилось, HR 8799 обладает избыточным ИК-излучением за счет диска, подобно Веге). Это значит, что планетная система достаточно молодая и осталось еще много «остатков» после образования планет. Диаметр диска, состоящего из трех компонентов (горячая пыль температурой 150К, холодная – температурой 45К и широкое гало из маленьких холодных пылинок), – две тысячи астрономических единиц, что в 25 раз больше диаметра орбиты Плутона. Возможно, в будущем этот диск своей массой нарушит стабильность юной планетной системы и разрушит ее.

Делать снимки экзопланет, вращающихся вокруг звезд, – задача не из легких. Свет, идущий от звезды, затмевает планеты, из-за чего их очень сложно увидеть. На данный момент напрямую засняли более дюжины экзопланет, включая HR 8799c и трех ее соседей. Более того, HR 8799 – единственная многопланетная система, чьи планеты удалось снять напрямую, не считая Солнечную систему.

После получения снимка астрономы могут применять спектрометры для того, чтобы разбить свет планеты, как призма превращает солнечный свет в радугу. Так они могут обнаружить «отпечатки» химических веществ в атмосфере. На сегодня эту стратегию применяли для изучения атмосфер нескольких газовых гигантов.

В дальнейшем ученые планируют проводить эту процедуру для планет меньшего размера, находящихся ближе к своим звездам (чем ближе планета к своей звезде и чем меньше ее размер, тем сложнее ее увидеть).

Цель исследований – поиск химических элементов в атмосферах землеподобных планет, вращающихся в зоне обитаемости вокруг своих звезд. Это могут быть и биосигнатуры вроде воды, кислорода и метана, которые потенциально способны указывать на наличие на планете жизни.