Космический телескоп «Кеплер» открыл первые экзопланеты, чьи размеры сопоставимы с размерами Земли. Обе планеты вращаются вокруг одной звезды, Кеплер-20, на расстоянии 945 световых лет в созвездии Лиры. Согласно данным, представленным командой телескопа, радиус планеты Kepler-20e немного меньше радиуса Венеры и составляет всего 0,87 земного. Другая планета, Kepler-20f, почти равна по размерам нашей планете: ее радиус на 1,03 больше радиуса Земли. Оба небесных тела, вероятно, состоят из горных пород, что позволяет их отнести к планетам земной группы.

Авторы открытия сделали любопытный ход, распространив новость об открытии планет в системе Кеплер-20 двадцатого декабря. За три недели новость благополучно облетела ведущие мировые и отечественные СМИ. Теперь можно спокойно окинуть взором очередные (и важнейшие!) находки телескопа «Кеплер».

Система Кеплер-20. Общий обзор

Вначале немного фактов. Звезда Кеплер-20 совсем немного уступает Солнцу по массе, температуре и светимости. Это — звезда желтый карлик, принадлежащий к спектральному классу G. Другие наименования звезды — KOI 070, KIC 6850504 и 2MASS J19104752 + 4220194.

Характеристики звезды Kepler-20

Звезда Kepler-20

Созвездие: Лира
Спектральный класс: G8V
Эффективная температура: 5455 К
Звездная величина: 12,50
Расстояние: 290±30 пк
Масса (в массах Солнца): 0,912
Радиус (в радиусах Солнца): 0,944
Светимость (в светимостях Солнца): 0,713
Металличность, [Fe/H]: 0,01
Возраст (миллиардов лет): 8,8±3,7

В системе звезды Кеплер-20 обнаружено сразу пять планет. Открытие сделано на основе данных за 670 суток наблюдений на космическом телескопе «Кеплер». Как известно, телескоп предназначен для поиска транзитных экзопланет, то есть таких планет, которые, проходя перед своей звездой, немного ослабляют ее блеск. «Кеплер» улавливает такие микроскопические изменения яркости звезды, и на основе большого количества наблюдений предоставляет данные о размерах затмевающего тела, а также форме и размерах его орбиты.

Три из пяти планет, Kepler-20b, Kepler-20c и Kepler-20d были обнаружены раньше. Это планеты, в 2-3 раза превосходящие Землю по размерам. Их массы лежат в пределах 9-20 масс Земли, что позволяет отнести их к газовым гигантам типа Урана и Нептуна. Периоды их обращения вокруг звезды равны 3,7, 10,9 и 77,6 дней.

Помимо трех планет были также обнаружены транзитоподобные сигналы с периодами 6,1 и 19,6 дней. Потускнение света звезды в результате прохождения по ее диску темных объектов было ничтожным и составило 82 и 101 часть на миллион. После скрупулезного изучения данных наблюдений, астрономы сделали вывод о том, что вокруг Кеплер-20 вращаются еще две планеты, e и f. По расчетам ученых масса Kepler-20e лежит в пределах 0,39-1,67 масс Земли, а Kepler-20f массивнее Земли не более, чем в 3,04 раза.

Здесь важно отметить, что данные телескопа «Кеплер» не могут предоставить ученым информацию о массах затмевающих звезду тел. Следовательно, любые планеты, открытые «Кеплером», требуют подтверждения. Если кандидат достаточно массивен сделать это достаточно легко с помощью наземных телескопов, которые, наблюдая за изменением лучевой скорости звезды, определяют массу влияющего на нее тела. Но в случае таких легких планет, как Kepler-20e и Kepler-20f точности существующих спектрографов явно недостаточно.

Встает вопрос: как же ученым удалось выяснить массы этих планет?

Подтверждение статуса открытий

Статья с результами наблюдений за звездой Кеплер-20 была опубликована в журнале Nature 20 декабря 2011 года и в тот же день работа была выложена для бесплатного ознакомления в препринтах.

Почти весь текст работы посвящен анализу данных, полученных о системе. Понимая, что получить информацию о массах кандидатов напрямую не удастся, астрономы решили действовать «от обратного». Они последовательно исключили все возможные альтернативные объяснения наблюдаемым ослаблениям блеска звезды.

Во-первых, астрономы доказали, что речь идет именно о планетах, а не об ошибках измерений, влиянии переменных звезд фона и т. д. По результатам анализа вероятность гипотезы существования планеты Kepler-20e в 3400 раз выше, чем вероятность всех прочих сценариев, а в случае с планетой Kepler-20f в 1370 раз выше. Обе вероятности достаточно велики, чтобы с высокой уверенностью утверждать наличие в системе Кеплер-20 двух планет размерами 95% и 103% размеров Земли.

Далее, изучение лучевой скорости звезды, предпринятое на 10-метровом телескопе Кек, хотя и не позволило определить массу планет, но дало возможность оценить верхний предел их массы. Он оказался равным в случае Kepler-20e равным 3 массы Земли, а в случае Kepler-20f — 14 масс Земли. Если бы планеты имели бо́льшую массу, то спектрограф телескопа сумел бы измерить их влияние на звезду.

Размышления и спекуляции

Планеты Кеплер-20

Планеты Kepler-20e Kepler-20f в сравнении с Венерой и Землей. Размер планеты Кеплер-20е составляет 0,87 диаметра Земли; Кеплер-20f в 1,03 раза превосходит Землю. До этого открытия наименьшей экзопланетой из известных была планета Kepler-10b, в 1,42 раза больше Земли по диаметру. Фото: NASA/Ames/JPL-Caltech

Теперь можно немного поразмышлять о том, какова физическая природа планет в системе Кеплер-20. Прежде всего отметим, что планеты в системе Кеплер-20 «упакованы» гораздо плотнее, чем планеты Солнечной системы. Самая далекая (и, вероятно, самая массивная) планета, Kepler-20d, совершает оборот вокруг своей звезды за 77 земных суток, что на 11 суток меньше периода обращения по орбите ближайшей к Солнцу планеты, Меркурия. При Kepler-20b, ближайшая к звезде планета в системе Кеплер-20, совершает один виток по орбите всего за 3,7 суток! Можно представить, сколь неблагоприятные условия царят на планетах Кеплер-20!

Исходя из периодов обращения планет Kepler-20e Kepler-20f (6,1 и 19,6 суток) ясно, что они очень горячи. Равновесная температура на их поверхности равна 1040±22 и 705±16 градусов по шкале Кельвина. Принимая во внимание близость планет к звезде и их небольшие размеры, представляется весьма сомнительным, что они имеют газовую природу, то есть, состоят преимущественно из водорода и гелия. Звездный ветер давно выдул бы летучие газы.

Вероятнее всего планеты преимущественно состоят из твердых горных пород, что косвенно подтверждается данными об их средней плотности, вычисленной на основе наиболее вероятной массы Kepler-20e и Kepler-20f (см. картинку). Как Земля, Марс, Венера и Меркурий, эти небесные тела принадлежат к планетам земной группы.

зависимость масса-радиус для небольших планет

Зависимость «масса-радиус» для небольших планет. По оси X отложена масса планет в массах Земли, по оси Y — их радиусы. Плотности планет Kepler-20f и Kepler-20e лежат в пределах зеленой и оранжевой фигур. Неопределенность вызвана погрешностью в определении размеров планет и их масс. Также на графике показаны кривые зависимости разных тел. Сплошные линии принадлежат гомогенным объектам: синяя — телам, состоящим целиком из водяного льда, красная — телам, состоящим из перовскита MgSiO3, пурпурная — железным планетам. Штриховые линии показывают местонахождение на графике планет с различным составом: 75% водяной лед, 22% силикаты и 3% железо (синий длинный штрих); ганимедоподобные — 45% лед, 48,5% силикаты и 6,5% железо (синий короткий и длинный штрих); 25,2% лед, 52,5% силикаты и 22,5% железо (синий короткий штрих); земноподобные — 67,5% силикаты и 32,5% железо (красный широкий штрих); похожие на Меркурий планеты — 30% силикаты и 70% железо (красный короткий штрих). Пурпурная штриховая кривая — теоретический лимит на плотность планет в существующих моделях. Источник: Francois Fressin, Guillermo Torres, Jason F. Rowe et al.

Если это так, то выясняется еще одна интересная особенность системы Кеплер-20. Она заключается в распределении планет различного типа. Если в Солнечной Системе планеты четко разделены на два класса — вначале по мере удаления от Солнца идут планеты земной группы, а затем газовые планеты-гиганты, то в системе Кеплер-20 планеты разных классов чередуются друг с другом. По крайней мере три планеты из пяти — b, e и f — имеют плотность, характерную для скалистых планет.

Ниже приведены данные о планетах системы Кеплер-20. В таблице масса и радиус планет выражены в массах и радиусах Юпитера и Земли, температура планет — в градусах Кельвина, большая полуось орбиты в астрономических единицах (1 а. е. равна среднему расстоянию от Земли до Солнца — примерно 149,6 миллионов км). Другие обозначения: e — эксцентриситет орбиты, i° — наклонение орбиты в градусах.

Система Кеплер-20. Характеристики открытых экзопланет

ПланетаМасса (Mю)Масса (Мз)Радиус (Rю)Радиус (Rз)Плотность
(г/см³)
T (К)Большая полуось
(а. е.)
Период обращения
(дней)
e
Kepler-20b0,0278,70,1701,916,510140,045373,6961219<0,3286,5
Kepler-20c0,05116,10,2733,072,917130,093010,854092<0,4088,39
Kepler-20d<0,063<20,10,2452,75<4,073680,345377,61184<0,6089,57
Kepler-20e<0,0050,39-1,670,0770,868?10400,05076,098493<0,2887,50
Kepler-20f<0,0100,66-3,040,0921,034?7050,110419,57706<0,3288,68