Екзопланета TOI-2109 b вже кілька років приваблює астрономів своєю екстремальністю. Це газовий гігант, який обертається навколо своєї зорі за менш ніж 16 годин — найкоротший підтверджений орбітальний період серед усіх відомих гігантських планет. Новий аналіз, що об'єднав дані наземних оглядів, космічних телескопів TESS і CHEOPS, а також свіжі спостереження від Hubble і James Webb, підтверджує дві незвичні особливості цієї системи: коливання часу транзитів, що натякають на присутність невидимого сусіда, і можливий поступовий розпад орбіти самої планети.

TOI-2109 b — це супер-Юпітер: маса становить приблизно 5,02 маси Юпітера, а радіус — 1,347 радіуса Юпітера. Планета настільки близька до своєї зорі, що орбітальний період дорівнює лише 0,67247479 доби. Через таку тісну близькість приливні сили між планетою і зорею мають бути надзвичайно сильними, а теоретичні моделі передбачають для TOI-2109 b найшвидший темп орбітального розпаду серед усіх відомих гігантських планет.

Що таке варіації часу транзиту

Основний метод дослідження — аналіз варіацій часу транзиту (transit timing variations, TTV). Якщо планета обертається навколо зорі за строго стабільною орбітою, моменти її проходження перед диском зорі (транзити) можна передбачити з високою точністю на роки вперед. Але якщо на планету діють додаткові сили — гравітація іншого тіла в системі, поступове стягування орбіти через приливне тертя або навіть прискорення всієї системи в просторі — реальні моменти транзитів починають відхилятися від передбачених. Саме ці відхилення й вивчали автори роботи.

Попередні спостереження вже натякали на квадратичний довгостроковий тренд у TTV, характерний для орбітального розпаду, а також на короткострокові синусоїдальні коливання, які можна пояснити майже резонансним планетним супутником — тілом, чия гравітація періодично тягне TOI-2109 b то вперед, то назад по орбіті.

Що показав новий аналіз

Об'єднавши архівні дані з новими спостереженнями транзитів і затемнень (моментів, коли планета проходить за зорею) від Hubble і James Webb, дослідники отримали значно точнішу картину. Статистичну переконливість моделей оцінювали за допомогою байєсівського інформаційного критерію (BIC) — чим більша різниця ΔBIC між моделлю з ефектом і без нього, тим переконливіший доказ реальності цього ефекту.

Для синусоїдальних коливань ΔBIC становив 33,6 — це дуже сильний доказ на користь присутності близького планетного супутника, узгоджений з попередньою гіпотезою колег Ж.-В. Гарре та співавторів (2024 рік). Автори також перевірили й відкинули кілька альтернативних, непланетних пояснень цих коливань.

Для квадратичного тренду ΔBIC дорівнював 6,75 — доказ слабший, але все ж статистично значущий. Він відповідає темпу орбітального розпаду -3,46 ± 1,17 мілісекунди на рік. Із цього значення автори оцінили так званий тидальний якісний фактор зорі (позначається Q*) — параметр, що описує, наскільки ефективно зоря розсіює приливну енергію, отриману від близької планети. Для TOI-2109 b він становив 2,13⁺¹·¹⁸₋₀.₆₁ × 10⁷.

Водночас автори чесно вказують на обмеження результату: квадратичний тренд теоретично можуть спричиняти й непланетні процеси, зокрема прискорення всієї системи вздовж лінії спостереження (line-of-sight acceleration) — наприклад, через рух іншої зорі чи тіла в тій же зоряній системі. Виключити цю альтернативу поки не можна.

Наскільки впевнені в результаті

Доказ синусоїдальних коливань дослідники називають "дуже сильним" — ΔBIC 33,6 істотно перевищує пороги, що зазвичай вважаються переконливими в статистиці. Це узгоджується з незалежним висновком іншої групи 2024 року, що додає впевненості. Натомість доказ квадратичного тренду, хоч і "сильний" за формальним критерієм, супроводжується застереженням про альтернативне пояснення через прискорення по лінії спостереження. Тобто орбітальний розпад планети — гіпотеза, яка потребує додаткового підтвердження, а не остаточно встановлений факт.

Дані для аналізу отримані з кількох джерел: наземних оглядових телескопів, космічної місії TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), швейцарського телескопа CHEOPS, а також архівних і нових спостережень космічних телескопів Hubble і James Webb. Стаття опублікована як препринт на arXiv.

Чому це важливо

Якщо орбітальний розпад TOI-2109 b підтвердиться майбутніми спостереженнями, ця планета стане лише другою відомою екзопланетою — після WASP-12 b — з орбітою, що реально скорочується з часом. Такі системи дають унікальну можливість напряму вимірювати внутрішні приливні властивості зір, які інакше складно дослідити.

Окрім того, поєднання орбітального розпаду з присутністю близького планетного супутника робить TOI-2109 b найекстремальним відомим представником ультрарідкісного класу тісних гігантських планет із сусідами. Такі системи важливі для розуміння того, як мігрують і еволюціонують гарячі юпітери — чи вони потрапляють у свої тісні орбіти внаслідок бурхливих гравітаційних взаємодій, чи через спокійніші, поступові процеси міграції за участю сусідніх тіл.