04.02.2025. - Пора приступить к классификации экзопланетных систем

Пора приступить к классификации экзопланетных систем

Когда обнаруживается экзопланета, ученые спешат описать ее и объяснить ее свойства. Теперь мы знаем о тысячах из них, многие из которых являются членами планетной системы, подобной хорошо известному семейству планет TRAPPIST-1.

В этих экзопланетных системах начинают проявляться закономерности, и в новом исследовании группа ученых говорит, что пришло время начать классифицировать системы экзопланет, а не только отдельные планеты.

Статья называется "Архитектурная классификация внесолнечных планетных систем" и доступна на сайте arXiv для предварительной печати. Ведущий автор - Алекс Хоу из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. Авторы говорят, что пришло время разработать и внедрить систему классификации экзопланетных систем, основанную на всем нашем каталоге экзопланет.

"С учетом того, что было обнаружено почти 6000 подтвержденных экзопланет, включая более 300 многопланетных систем с тремя или более планетами, текущая выборка наблюдений достигла точки, когда стало возможным и полезным построить систему классификации, которая разделит наблюдаемую популяцию на значимые категории", - пишут они.

Авторы объясняют, что пришло время для системного подхода к выявлению закономерностей в системах экзопланет. Теперь, когда открыто почти 6000 экзопланет, у ученых есть данные, подтверждающие это предположение.

Какие категории предлагают авторы?

Первый шаг обязательно должен быть широким. "Суть нашей системы классификации сводится к трем вопросам для любой конкретной системы (хотя в некоторых случаях мы добавляем дополнительные подкатегории). Есть ли в системе отдельные внутренние и внешние планеты?" пишут авторы.

Далее следует вопрос о Юпитерах. "Есть ли у внутренних планет один или несколько юпитеров?" После этого они спрашивают, есть ли у внутренних планет какие-либо промежутки с отношением периодов, превышающим 5.

Это означает, что если в промежутках между внутренними планетами есть какие-либо случаи, когда соотношение периодов обращения двух гипотетических планет, занимающих эти промежутки, превышало бы 5? В принципе, это сводится к вопросу о том, связано ли отсутствие планет в определенных регионах внутренней Солнечной системы с нестабильными орбитами.

Этих трех вопросов достаточно, чтобы классифицировать почти все открытые нами системы экзопланет.

"Мы обнаружили, что этих трех вопросов достаточно, чтобы классифицировать ~97% многопланетных систем с N>3 планетами с минимальной неоднозначностью, к которым мы затем добавили полезные подкатегории, например, где возникают большие пробелы и присутствует ли горячий Юпитер", - пишут авторы.

Результатом является схема классификации, которая делит системы экзопланет на внутренние и внешние, а затем внутренние режимы на динамические классы. Эти классы представляют собой:

Системы типа "Горошина в стручке", в которых планеты равномерно малы

Теплые системы Юпитера, содержащие как крупные, так и малые планеты

Системы с ограниченным пространством

Системы с зазорами

Существуют дополнительные подразделения, основанные на расположении зазоров и других характеристиках.

"Эта структура позволяет нам провести частичную классификацию систем с одной и двумя планетами и почти полную классификацию известных систем с тремя или более планетами, за очень немногими исключениями с необычными динамическими структурами", - объясняют авторы.

Таким образом, схема классификации сначала делит системы на внутренние и внешние планеты (если обнаружены обе). Системы с более чем тремя внутренними планетами затем классифицируются на основе того, включают ли их внутренние планеты какие-либо Юпитеры и есть ли (и если да, то где) у них большие промежутки времени с отношением периодов >5. Некоторые системы имеют другие динамические особенности, которые рассматриваются отдельно от общей системы классификации.

Система классификации основана на Архиве экзопланет НАСА, в котором по состоянию на сентябрь 2024 года перечислено 5759 экзопланет. Это обширный архив, но он также содержит некоторые сомнительные экзопланеты, взятые из статей, которые иногда могут быть неточными, плохо структурированными или даже противоречить последующим статьям.

Исследователи отфильтровали свой каталог, удалив данные, которые они сочли непригодными для использования. В результате они удалили 2% экзопланет из своего архива.

Они также отфильтровали некоторые звезды из-за неполноты данных, что означало, что планеты вокруг этих звезд также были удалены. Были удалены планеты, вращающиеся вокруг белых карликов и пульсаров, а также планеты, вращающиеся вокруг коричневых карликов. Идея состояла в том, чтобы "представить население планет, вращающихся вокруг звезд главной последовательности", как объясняют авторы.

Как видно из приведенной выше таблицы, большинство систем экзопланет содержат только одну обнаруженную планету. В 78% из них есть только одна планета, часто горячий Юпитер, хотя в данных играют роль эффекты отбора. Юпитеры являются ключевым типом планет в природе и в схеме классификации.

"Как и ожидалось, планеты размером с Юпитер гораздо реже встречаются в многопланетных системах с периодами менее 10 дней, и практически ни одна из них не встречается с периодами менее 5 дней, о чем свидетельствует почти полное совпадение двух распределений Юпитера в эти периоды. Между тем, примерно половина всех других типов планет и даже треть Юпитеров с периодами более 10 дней встречаются в многопланетных системах", - объясняют авторы.

Система классификации хорошо справляется с задачей учета архитектуры большинства экзопланетных систем. Однако есть и некоторые странности, в том числе система WASP-148, единственная известная система с горячим Юпитером и ближайшим спутником Юпитера.

"Учитывая высокую вероятность обнаружения такого спутника и тот факт, что известно, что у 10 горячих Юпитеров есть более мелкие спутники поблизости, это указывает на особенно редкий подтип системы и потенциальные необычные миграционные процессы", - пишут авторы.

Несмотря на то, что системы экзопланет кажутся очень разнообразными, эта схема классификации показывает, что в них много единообразия. Несмотря на большое разнообразие типов планет, большинство внутренних систем представляют собой системы размером с горошину в стручке или теплые системы Юпитера. "Лишь незначительную часть из N>3 систем (9 из 314) трудно отнести к одной из этих двух категорий", - пишут авторы.

Как и во многих других областях науки об экзопланетах, этой системе мешают ошибки в обнаружении. С нашими нынешними возможностями нам трудно обнаружить такие маленькие планеты, как Марс. В наблюдаемых системах экзопланет их может быть больше. Также возникает больше проблем с обнаружением, например, планет на длинных орбитах. Тем не менее, схема по-прежнему ценна и интересна.

"Эта схема классификации обеспечивает в значительной степени качественное описание архитектур наблюдаемых в настоящее время многопланетных систем", - объясняют авторы. "Следующий шаг - понять, как формируются такие системы, и, что, возможно, не менее важно, почему в базе данных отсутствуют другие динамически правдоподобные системы".

Один из результатов касается системы "горошины в стручке". Поскольку она широко распространена, ученые стремятся разработать теории ее формирования.

Эта система также влияет на пригодность для жизни. Результаты показывают, что в системах типа "горошина в стручке" планеты часто находятся слишком близко к звездам главной последовательности, чтобы быть пригодными для жизни. И наоборот, в системах такого же типа, вращающихся вокруг М-карликов, планеты, вероятно, находятся в обитаемых зонах своих звезд. "Это может свидетельствовать о том, что большинство пригодных для жизни планет находятся вокруг звезд с меньшей массой в системах, похожих на горошины в стручке", - объясняют авторы. Это поднимает знакомую проблему вспышек и обитаемости красных карликов.

Еще одна проблема, на которую указывает эта схема классификации, касается обитаемости суперземель. "Большинство планет в системах размером с горошину в стручке являются суперземлями, а не размером с Землю, и могут быть слишком большими для канонического определения пригодной для жизни планеты", - пишут авторы.

В своем заключении исследователи объясняют, что системы экзопланет, по-видимому, имеют четкие принципы организации, которые мы можем использовать для классификации различных типов солнечных систем.

"Хотя эта классификация и далека от завершения, мы считаем, что она дает лучшее представление о населении в целом, и она должна стать благодатной почвой для будущих исследований демографии и формирования экзопланет", - заключают исследователи.

Источник