Впервые обнаружена планетарная система, своей структурой напоминающая Солнечную систему

Наша солнечная система обладает редчайшей, упорядоченной конфигурацией: восемь планет обращаются вокруг Солнца подобно спринтерам на кольцевом треке, каждый из которых бежит по своей дорожке, и вместе с тем все они находятся в одной «плоскости». Большинство экзопланет, открытых в течение последних лет, в особенности, гигантов, известных как «горячие Юпитеры», имеет гораздо более эксцентричные, несбалансированные орбиты.

Недавно ученые из Массачусетского Технологического Университета (Massachusetts Institute of Technology, MIT), Калифорнийского Университета в Санта-Крузе (the University of California at Santa Cruz) и некоторых других институтов обнаружили первую за всю историю астрономических наблюдений экзопланетарную систему, в которой орбиты выравнены относительно звезды практически таким же образом, что и в нашей солнечной системе. Центром этой удаленной от нас на 10000 световых лет системы является звезда Кеплер-30, столь же яркая и массивная, как Солнце. Анализируя данные, полученные с космического телескопа «Кеплер», ученые из MIT совместно с коллегами выяснили, что звезда (так же как и Солнце) вращается вокруг вертикальной оси, а орбиты ее трех планет находятся в одной плоскости.

«В нашей солнечной системе траектории планет параллельны вращению Солнца, что предположительно указывает на их формирование из вращающегося диска», - объясняет Роберто Санчис-Охеда (Roberto Sanchis-Ojeda), аспирант-физик из MIT, руководивший исследовательской работой. «В открытой нами системе происходит то же самое».

Отчет об исследовании, опубликованный 25 Июля в журнале Nature, поможет объяснить происхождение некоторых далеких планетарных систем, а также пролить свет и на особенности наших «планетарных соседей».

«Наше открытие подсказывает мне, что солнечная система – это не просто курьез вселенной», - говорит Джош Вин (Josh Winn), адъюнкт-профессор физики из MIT, соавтор публикации. «Тот факт, что вращение Солнца коррелирует с орбитами планет, похоже, вряд ли объясняется нелепым совпадением».

Уникальная особенность нашей солнечной системы заключается в том, что орбиты планет расположены в одной плоскости, а ось вращения Солнца перпендикулярна этой плоскости

Вин отмечает, что открытие его команды подтверждает недавно выдвинутую теорию о том, как формируются «горячие Юпитеры». Эти огромные космические объекты, прозванные так благодаря их чрезвычайной приближенности к горячим белым гигантам, совершают полный оборот вокруг своих звезд всего за несколько земных дней. Орбиты «горячих Юпитеров», как правило, не сбалансированы, потому ученые предполагают, что такой орбитальный дисбаланс может прояснить происхождение этого класса планет: их орбиты искривились в очень раннем, сильно изменчивом периоде формирования планетарной системы, когда несколько планет-гигантов сблизились настолько, что оказались способны «вышвырнуть» некоторые планеты из системы, а другие планеты, наоборот, - приблизить к  звезде.

Недавно ученые составили описание ряда систем «горячих Юпитеров», все из которых имеют наклонные орбиты. По словам Вина, чтобы представить доказательства в пользу теории «разбрасывания планетами», исследователи должны были найти систему без «горячих Юпитеров», в которой планеты достаточно отдалены от звезды. Если бы в такой системе орбиты были выравнены так же, как в Солнечной, это могло бы свидетельствовать о том, что только в системах «горячих Юпитеров» орбиты расположены в разных плоскостях – как результат рассеивания планет.

Чтобы решить головоломку, Санчиз-Охеда занялся рассмотрением данных, присланных космическим телескопом «Кеплер», который изучает 150 тысяч звезд на предмет наличия у них экзопланет. Через некоторое время исследователь обратил свое внимание на систему Кеплер-30, содержащую три планеты, орбиты которых намного длиннее в сравнении с типичными «горячими Юпитерами». Чтобы определить ориентацию звезды относительно планетарных орбит, ученый проследил за темными пятнами на ее поверхности, характерными для ярких звезд вроде нашего Солнца.

«Эти маленькие черные пятна перемещаются по окружности перпендикулярно оси звезды по мере ее вращения», - поясняет Вин. «Если бы мы обладали возможностью сделать снимок звезды, это было бы великолепно, потому что тогда мы бы точно определили ее ориентацию по движению этих пятен».

Планетарная система Kepler-30 обладает конфигурацией, крайне схожей с солнечной системой (Graphic by Cristina Sanchis Ojeda)

Но звезды вроде Кеплер-30 очень далеки от нас, поэтому получить детализированные снимки таких звезд пока невозможно. Единственный способ составить представление о них заключается в изучении того малого количества света, который все же доходит до нас. Команда исследователей стала искать метод, позволяющий «отслеживать» звездные пятна на основе этого светового излучения. Каждый раз планета во время своего транзита -- то есть когда она проходит между звездой и точкой наблюдения – частично, хотя и очень незначительно заслоняет от нас звезду, что в показаниях астрономических приборов выглядит как небольшое снижение интенсивности излучения. Если планета пересекает темную область на поверхности звезды, то количество «собранного» планетой света оказывается несколько меньше по сравнению с количеством излучения, блокируемого планетой во время прохождения над яркими зонами звезды. В таком случае снижение световой интенсивности менее заметно, а временное относительное повышение светимости выделяется на графике небольшим «всплеском».

«Если вы заметили такой «всплеск», указывающий на звездное пятно, значит, в следующий раз, при прохождении планеты, это пятно обнаружится в каком-то другом месте, и вы увидите «всплеск» уже не здесь, а где-то там», - продолжает Вин. «Именно смещения таких «всплесков» на графике помогают нам «увидеть» движение пятен и определить по нему ориентацию оси вращения звезды».

Проанализировав графики, Санчиз-Охеда сделал вывод о том, что звезда Кеплер-30 обращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости вращения самой крупной из ее планет. Затем исследователи установили угол наклона орбит других планет относительно звезды, изучив взаимные гравитационные воздействия планет. Измерив вариации в параметрах транзитов планет вдоль звезды, команда ученых получила их орбитальные конфигурации, из которых следует, что все три планеты располагаются в одной плоскости. По мнению Санчиза-Охеды, общая планетарная структура системы Кеплер-30 очень схожа с солнечной системой.

Согласно современным представлениям ученых, жизнь на планете может появиться лишь в том случае, если орбита этой планеты позволяет поддерживать оптимальный климат на ее поверхности

Джеймс Ллойд (James Lloyd), преподаватель астрономии из Корнелльского Университета, (не вовлеченный в это исследование), считает, что изучение планетарных орбит поможет понять, как жизнь эволюционировала во Вселенной: ведь для того чтобы обладать стабильным климатом, пригодным для существования жизни, планета должна иметь стабильную орбиту. «Чтобы мы могли узнать, насколько же распространена жизнь во вселенной, нам необходимо выяснить, насколько часто в космосе встречаются стабильные планетарные системы», - отмечает Ллойд. «Нам стоит искать ответы на загадки солнечной системы в других планетарных системах – и наоборот».

Судя по результатам исследования, конфигурация систем, состоящих из «горячих Юпитеров», в самом деле может объясняться «выталкиванием» планет. Чтобы удостовериться в этом, Вин с коллегами планирует исследовать орбиты других удаленных планетарных систем.

«Нам очень хотелось найти систему, похожую на Кеплер-30, и хотя она не является копией солнечной системой, она, по крайне мере, более «нормальная» по сравнению с ранее открытыми, так как в этой системе орбиты планет выравнены в одной плоскости, которая, к тому же, перпендикулярна оси вращения звезды», - заключает Вин. «Это первый случай, когда мы видим такое – помимо нашей солнечной системы».