Багатопланетні системи біля тьмяних зір трапляються часто, але рідко коли одна з планет виявляється настільки щільною, що суперечить очікуванням. Саме така історія сталася з TOI-4311 — помаранчевим карликом класу K, біля якого міжнародна команда астрономів підтвердила щонайменше дві планети і запідозрила третю.
Дослідження спирається на дані трьох інструментів: космічного телескопа TESS, який виявив початкові транзитні сигнали, супутника CHEOPS, що уточнив розміри планет, і спектрографа HARPS, який дав змогу виміряти маси через доплерівське зміщення ліній у спектрі зорі. Результати опубліковані в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Планета b: доба на орбіті й аномальна густина
Внутрішня планета TOI-4311 b належить до класу ультракороткоперіодичних — вона встигає обійти зорю менш ніж за добу, точніше за 0,99 дня. Це означає, що вона розташована надзвичайно близько до своєї зорі, ближче, ніж будь-яка планета Сонячної системи до Сонця.
За розміром планета b лише трохи більша за Землю — її радіус становить 1,376 радіуса Землі. Але маса виявилася непропорційно великою: 4,5 маси Землі. Таке співвідношення радіуса й маси означає високу середню густину — суттєво вищу, ніж очікується для планети такого розміру.
Саме ця густина і стала головною інтригою відкриття. Дослідники змоделювали внутрішню будову планети b, використовуючи точні виміряні радіус і масу, і дійшли висновку, що об'єкт занадто щільний з огляду на хімічний склад материнської зорі.
Субнептун c: підтвердження через дві обсерваторії
Другу планету, TOI-4311 c, TESS помітив за методом транзитів — періодичним затемненням, яке планета створює, проходячи по диску зорі. Її орбітальний період становить приблизно 15 днів, а радіус — 2,47 радіуса Землі, що відповідає класу субнептунів (планет проміжного розміру між Землею і Нептуном).
Для уточнення параметрів команда залучила CHEOPS — супутник Європейського космічного агентства, спеціально призначений для високоточних вимірювань радіусів уже відомих екзопланет. Спектрограф HARPS, встановлений на 3,6-метровому телескопі ESO в Ла-Сілья, додав вимірювання радіальних швидкостей зорі, які підтвердили планетну природу об'єкта c і дозволили відокремити його гравітаційний вплив від сигналу планети b.
Третій сигнал без транзиту
У даних HARPS дослідники виявили ще один періодичний сигнал, який не вдалося пояснити активністю самої зорі — плямами чи обертанням. Цей сигнал відповідає гіпотетичній планеті з періодом близько 38 днів і мінімальною масою приблизно 26,4 маси Землі.
Для цього кандидата транзитів поки не знайдено — можливо, через геометрію орбіти, яка не дозволяє планеті проходити точно між зорею і земним спостерігачем. Тому статус об'єкта залишається непідтвердженим.
Автори провели окремий динамічний аналіз стабільності системи і встановили, що гіпотетична третя планета з такими параметрами могла б існувати на стабільній орбіті, не руйнуючи внутрішню пару планет.
Кінематика зорі і виклик теоріям формування
Ключовий аргумент дослідників стосується не так самої планети b, як положення TOI-4311 у Чумацькому Шляху. Зоря рухається по орбіті, яка кінематично розташована між товстим диском Галактики і так званим потоком Геркулеса — групою зір зі спільною динамікою руху.
Хенучи склад та рух зорі, така густина не очікувана.За матеріалами дослідження команди Йоші Ешен, MNRAS
Зазвичай густину скелястих планет пов'язують із хімічним складом протопланетного диска, з якого вони утворилися, а той, своєю чергою, залежить від хімічного збагачення тієї частини Галактики, де народилася зоря. Якщо TOI-4311 сформувалася в середовищі з певним набором важких елементів, її планети мали б мати передбачувану, помірну густину.
Натомість планета b виявилася щільнішою, ніж дозволяють поточні моделі формування планет. Це може означати, що механізми формування скелястих планет варіюються залежно від розташування в Галактиці сильніше, ніж вважалося раніше, або що для системи TOI-4311 діяли нетипові умови формування чи еволюції.
