Как в самой Солнечной системе, так и за её пределами существует немало удивительных и странных явлений, однако открытая недавно экзопланета TOI-5205b представляет собой нечто выходящее из ряда вон. Согласно всем известным учёным законам планетообразования, формирование подобных объектов не представляется возможным.

В 285 световых годах от Солнечной системы лежит небольшая планетарная система, «солнце» которой представлено крошечным красным карликом TOI-5205. Радиус и масса этой звезды составляет менее 40% солнечных радиуса и массы (39,2% и 39,4% соответственно). Её температура оценивается в 3500 К (~3227град.C), что является максимумом для красных карликов, но значительно уступает, например, жёлтым карликам, к классу которых относится и наше Солнце с температурой 5800К (5526град.C). В рамках недавнего исследования учёные обнаружили единственного спутника TOI-5205.

Стоит отметить, что красные карлики являются одним из самых распространённых во Вселенной типом звёзд, однако из более чем 5250 экзопланет, известных современной науке, лишь 240 вращаются вокруг красных карликов. Более того, лишь около дюжины из них имеет габариты, сравнимые с Юпитером.

Спутница TOI-5205 получила довольно очевидное обозначение TOI-5205b. По словам учёных, наличие планет на орбитах красных карликов – не такое уж редкое явление, однако конкретный случай является поистине исключительным. Прежде всего данная планета является газовым гигантом, который делает полный оборот вокруг своей звезды всего за 1,6 дня.

Известным науке законам планетообразования противоречат сравнительные габариты планеты и её Солнца. TOI-5205 всего в 4 раза крупнее Юпитера, однако каким-то образом этой звезде удалось «вырастить» планету размером с Юпитер.

Звёзды рождаются в плотных облаках космических газов и пыли, постепенно формируя вокруг себя аккреционный диск, который по спирали «скармливает» юной звезде материю подобно тому, как вода устремляется в сливной сток. Как только звезда достигает своего пограничного размера, она испускает мощный поток звёздного ветра, который «сдувает» непригодившуюся материю. Иногда остатки аккреционного диска «слипаются» в объекты, которые остаются на звёздной орбите и постепенно становятся планетами.

Актуальные космические модели показывают, что для формирования одного лишь ядра планеты размером с Юпитер необходимо огромное количество материала, сравнимое с массой 10 Земель. Затем это ядро должно собрать вокруг себя внушительную оболочку из газов для создания атмосферы газового гиганта. К слову, этот процесс должен протекать достаточно быстро. Исследователи утверждают, что, согласно актуальным моделям, красный карлик вроде TOI-5205 не мог иметь достаточного количества пыли и газов для формирования планеты размером с TOI-5205b.

При помощи транзитного метода учёные измерили характеристики экзопланеты TOI-5205b: её масса соответствует 1,08 массы, а радиус равен 1,03 радиуса Юпитера. При этом радиус экзопланеты равен 27,2% радиуса её солнца. Астрофизики и планетологи утверждают, что подобные планеты не должны существовать, однако пример TOI-5205b и ещё пары аналогичных гигантов показывает, что подобные исключения всё же встречаются.

По словам исследователей, эти экзопланеты могут стать источником ценнейшей информации об аккреционных дисках разных типов звёзд и расширить представления учёных о процессах планетообразования. К счастью, благодаря короткому орбитальному периоды подобных объектов их изучение транзитным методом будет достаточно быстрым и эффективным.

Одной из самых проработанных и правдоподобных гипотез образования планет-гигантов является гипотеза аккреции на ядро. Согласно этой гипотезе, сначала в протопланетном диске формируется планетный эмбрион из пыли и льдов массой около 10 масс Земли, а затем на него аккрецирует газ, и масса планеты быстро увеличивается в десятки раз. Гипотеза аккреции на ядро предсказывает, что планеты-гиганты не должны формироваться возле звезд с массами меньше ~0.5 солнечных масс (красных карликов). И действительно, планет-гигантов у красных карликов известно очень мало, и все они обнаружены у наиболее горячих и массивных из них (спектральных классов M0-M1).

Однако нет правил без исключений. 23 сентября 2022 года в Архиве электронных препринтов была опубликована статья, посвященная открытию транзитного газового гиганта у звезды спектрального класса M4 V, лежащей вблизи перехода, разделяющего звезды, имеющие в своих недрах зону лучистого переноса, и полностью конвективные. Планета была обнаружена TESS, затем она прошла процедуру валидации путем интенсивных наземных наблюдений. Окончательное подтверждение планетной природы транзитного кандидата и измерение его массы провели методом лучевых скоростей с помощью спектрографа HPF.

Звезда TOI-5205 удалена от нас на 86.865 ± 0.05 пк. Ее масса оценивается в 0.392 ± 0.015 солнечных масс, радиус – в 0.394 ± 0.011 солнечных радиусов, светимость примерно в 52 раза меньше солнечной. Содержание тяжелых элементов близко к солнечному.

TESS наблюдала TOI-5205 на 15 и 41 секторах. Автоматический алгоритм обработки данных обнаружил транзитный сигнал с периодом 1.63 суток. Однако дело осложнялось тем, что в радиусе 30 угловых секунд от TOI-5205 находилось сразу 10 звезд. Ближайший сосед удален всего на 4.2 угловых секунды (при том, что ширина пикселя матрицы TESS достигает 21 угловой секунды). Чтобы определить, какая именно из звезд является источником транзитного сигнала, и очистить сигнал от светового загрязнения со стороны соседей, пришлось провести фотометрические наблюдения на крупных телескопах с высоким угловым разрешением, включая 6.5-метровый Магеллан.

Как оказалось, глубина транзита планеты TOI-5205 b достигает 7%, это абсолютный рекорд среди планет. При радиусе 1.03 ± 0.03 радиусов Юпитера масса TOI-5205b составляет 1.08 ± 0.06 масс Юпитера, что приводит к средней плотности 1.21 ± 0.11 г/куб.см. Гигант вращается вокруг своей звезды по близкой к круговой орбите на расстоянии 0.0199 ± 0.0002 а.е. (~10.9 звездных радиусов) и делает один оборот за 1.630757 суток, его эффективная температура составляет 737 ± 15 К.

Авторы обсудили, каким образом эта планета смогла образоваться у такой маленькой звезды. По их расчетам, масса протопланетного диска, из которого образовался гигант TOI-5205b, должна была достигать 10-30% от массы родительской звезды, или же время жизни диска было в несколько раз больше обычного (>20 млн. лет против 3-10 млн. лет). Все это требует особых условий формирования системы TOI-5205 – а именно, отсутствия рядом ярких молодых звезд и других источников возмущений, возможное лишь на дальней периферии области звездообразования.

Из-за малой светимости родительской звезды система будет хорошей целью для измерения параметров дневного полушария планеты методами эмиссионной спектроскопии (измерения зависимости глубины вторичного минимума от длины волны, на которой ведутся наблюдения). По расчетам авторов, самой заметной деталью в эмиссионном спектре TOI-5205b будет полоса углекислого газа. По наблюдаемым параметрам этой полосы можно будет оценить количество тяжелых элементов в атмосфере планеты относительно солнечного значения.

Подобные TOI-5205b тела плохо вписывается в современные теории образования планет, предполагающие, что массивные газовые гиганты не должны формироваться вокруг маломассивных красных карликов. Поэтому она практически наверняка станет целью для новых наблюдений, в том числе и с использованием телескопа «Джеймс Уэбб».

Красные карлики являются наиболее распространенным типом звезд в Млечном Пути и обладают, в среднем, большим количеством планет по сравнению со звездами спектральных типов F, G и K. Считается, что из-за малых масс таких звезд и длительного масштаба процесса планетобразования газовые гиганты должны редко встречаться вокруг красных карликов, а для звезд с массами менее 0,5 масс Солнца крупных планет быть практически не должно, однако эти выводы нуждаются в подтверждении.

Текущая выборка подтвержденных экзогигантов с точно определенными массами вокруг красных карликов состоит менее чем из 10 планет. Все эти объекты вращаются вокруг красных карликов ранних типов, богатых металлами.

По мере перехода от красных карликов ранних спектральных типов к красным карликам средних спектральных типов, меняется внутренняя структура этих звезд. Значение массы звезды в 0,35 масс Солнца отмечает границу между частично конвективными карликами (конвективное ядро, зона лучистого переноса, конвективная внешняя оболочка) и полностью конвективными карликами (зона лучистого переноса отсутствует), что может отразиться на орбитальной эволюции планет вокруг таких звезд и их свойствах.

Родительская звезда экзопланеты любопытна тем, что находится рядом с переходной областью между частично и полностью конвективными красными карликами. Она относится к спектральному типу M4, обладает массой 0,392 массы Солнца и радиусом 0,394 радиуса Солнца. Ее светимость составляет всего 0,0194 от светимости Солнца, TOI-5205 находится на расстоянии около 280 световых лет от нашей звезды.

TOI-5205b характеризуется орбитальным периодом 1,63 земных дня, массой 1,08 массы Юпитера и радиусом 1,03 радиуса Юпитера, что дает значение объемной средней плотности в 1,21 грамма на кубический метр. Эксцентриситет орбиты экзогиганта составляет 0,02, что соответствует круговой орбите, а равновесная температура планеты – 737 кельвин.

Большая масса TOI-5205b плохо вписывается в текущие теории формирования планет, требующие либо очень массивного протопланетного диска, либо очень длительного времени планетообразования, поэтому механизм ее образования остается мало понятным.

Важной особенностью этого открытия является тот факт, что TOI-5205b, проходя по диску звезды, уменьшает ее яркость на 7 процентов, что является одним из самых глубоких событий транзита для экзопланет, вращающихся вокруг звезд главной последовательности. Это делает новооткрытый экзогигант хорошей целью для будущих спектроскопических наблюдений для исследований ее атмосферы.

Хотя ученые уже находили газовых гигантов вокруг звезд класса М, все они имели значительно больший размер, чем красный карлик TOI 5205.

Согласно теории вокруг этой планеты, не мог появится газовый гигант, поэтому ученые назвали TOI 5205b «запретной» планетой. То есть данное открытие может перевернуть с ног на голову все представление о том, как формируются такие как Юпитер газовые гиганты.

По словам ученых, звезда TOI-5205 составляет всего 40% размера и массы нашего Солнца, и она имеет почти в 2 раза меньшую температуру. По словам Шабхама Канодиа из Университета Карнеги, США, удивление вызывает тот факт, каким образом вокруг такой маленькой звезды смогла сформироваться такая огромная планета относительно размеров самой звезды.

До этого открытия ученые еще ни разу не находили газовых гигантов вокруг подобных красных карликов. Сейчас ученым известно, что планеты формируются вокруг своих звезд из протопланетных дисков, которые состоят из газа и пыли. Этот диск является остатком того же вещества, из которого сформировалась сама звезда. Под действием гравитации появляются ядра планет, а затем происходит притяжение остального вещества.

В случае с газовыми гигантами их ядро начинает накапливать газ. Но для того, чтобы появилась гигантская планета изначальное количество вещества также должно быть значительным, то есть и сама звезда должна иметь большой размер.

По словам ученых, если вещества слишком мало, то его не хватит для создание большого ядра и уже тем более для создания газового гиганта. Но открытие планеты TOI-5205b ломает все теории.

Ученые сравнили открытую планету, которая имеет размер Юпитера, с горошиной, которая вращается вокруг лимона, чтобы показать несоответствие ее размеров размерам звезды. В этом случае сам Юпитер является горошиной по сравнению с грейпфрутом, то есть нашим Солнцем.

Размер этой планеты по сравнению с размером своей звезды настолько большой, что она закрыла собой 7% излучаемого света звезды. На сегодня это самый большой показатель для планет размером с Юпитер, известных ученым. Собственно, саму планету и обнаружили благодаря тому, что она проходила на фоне своей звезды и заблокировала часть ее света.