Оценка массы сопоставимой по размерам с Марсом экзопланеты Kepler-138 b на основе времени прохождения
The mass of the Mars-sized exoplanet Kepler-138 b from transit timing. Daniel Jontof-Hutter, Jason F. Rowe, Jack J. Lissauer, Daniel C. Fabrycky, Eric B. Ford. Nature. 2015. Vol. 522. No 7556. P. 321–323.
Обычно для оценки параметров планет ученые пользуются тем, что все планеты, несмотря на свою небольшую массу по сравнению звездой, оказывают на нее гравитационное, в результате чего звезда периодически приближается к Земле или удаляется. Это вносит небольшие сдвиги в спектр ее излучения, по силе которых можно оценить массу планеты. Подобный прием, который астрономы называют «методом лучевых скоростей», работает только для больших планет, чьи размеры и масса заметно превышают земные. Для малых планет используется так называемый метод прохождения, который еще в XIX веке астрономы использовали для вычисления массы Марса и открытия Нептуна. Во время прохождения экзопланет по диску своей родительской звезды отмечается заметное понижение яркости звездного диска, что дает возможность косвенно оценить размер этих планет и период их обращения. В некоторых множественных планетных системах на время прохождения могут влиять гравитационные взаимодействия между соседними планетами. При благоприятных условиях отклонения от кеплеровских орбит (траекторий без учета гравитационных взаимодействий), вычисленные на основе времени прохождения, позволяют определить размер и массу планет, а значит, – и их валовую плотность. Для газовых планет это сделать проще, для каменистых – сложнее. Поэтому лишь для нескольких землеподобных экзопланет на сегодняшний день удалось оценить их массу. На основе времени прохождения авторы впервые с помощью орбитального телескопа Kepler смогли измерить размер, массу и плотность у трех экзопланет в звездной системе Kepler-138. Эти небольшие планеты (внутренняя b, средняя c и внешняя d), вращаются вокруг родительской звезды, в 2,5 раза меньшей Солнца и холоднее его. Примерные периоды обращения планет и их размеры были оценены еще в рамках первичного анализа данных телескопа, в частности, было известно, что Kepler-138 b обладает периодом обращения 10,3 дней, а ее диаметр составляет 52% земного – это примерно соответствует размерам Марса. Проанализировав данные нескольких лет работы телескопа, авторы установили, что Kepler-138 b находится почти в резонансе со средней планетой системе: их периоды обращения близки к отношению 3:4. Тем не менее, период ее обращения периодически меняется с амплитудой в 34 мин. Авторы провели математическое моделирование системы и определили, что такая амплитуда соответствует массе экзопланеты в 2,9-12,5% Мз, где Мз – масса Земли. Это делает планету Kepler-138 b очень похожей на Марс, масса которого также составляет всего 10,7% земной. Результаты измерений, проведенных в рамках данного исследования, показали, что наименьшая по размеру, внутренняя планета Kepler-138 b имеет массу около 0,066 Мз. Ее плотность оценивается на уровне 2,6 г/см3, что позволяет рассматривать ее как каменистую планету. Две другие планеты по размерам чуть больше Земли. Плотность средней составляет 6,2 г/см3 (близка к плотности Земли), а внешней – 2,1 г/см3. Такая низкая плотность свидетельствует о том, что в составе этой планеты преобладают легкие компоненты, такие как вода и водород. Таким образом, Kepler-138 b стала самой небольшой экзопланетой, чья масса и плотность была измерена астрономами. Как полагают авторы, запуск наследника телескопа Kepler, орбитальной обсерватории TESS, поможет измерить массы еще меньших планет и уточнить параметры планет из семейства Kepler-138.
В.В. Стрекопытов