HR 8799 — это звезда главной последовательности возрастом примерно 30 миллионов лет, расположенная в 133,3 световых годах (40,9 парсеков ) от Земли в созвездии Пегаса . Она имеет массу примерно в 1,5 раза больше массы Солнца и в 4,9 раза больше его светимости. Она является частью системы, которая также содержит диск обломков и по крайней мере четыре массивные планеты . Эти планеты были первыми экзопланетами , орбитальное движение которых было подтверждено прямыми изображениями . Звезда является переменной типа Гамма Золотой Рыбы : ее светимость меняется из-за нерадиальных пульсаций ее поверхности. Звезда также классифицируется как звезда типа Лямбда Волопаса , что означает, что ее поверхностные слои обеднены элементами пика железа . Это единственная известная звезда, которая одновременно является переменной типа Гамма Золотой Рыбы, звездой типа Лямбда Волопаса и звездой типа Веги (звездой с избыточным инфракрасным излучением, вызванным околозвездным диском ).
HR 8799 — это звезда, видимая невооруженным глазом. Она имеет звездную величину 5,96 и расположена внутри западного края большого квадрата Пегаса почти точно посередине между Бетой и Альфой Пегаса . Название звезды HR 8799 — это ее номер строки в Каталоге ярких звезд .
Звезда HR 8799 является членом класса Лямбда Волопаса ( λ Boo), группы пекулярных звезд с необычным недостатком «металлов» (элементов тяжелее водорода и гелия) в их верхней атмосфере. Из-за этого особого статуса звезды, подобные HR 8799, имеют очень сложный спектральный тип. Профиль светимости линий Бальмера в спектре звезды, а также эффективная температура звезды лучше всего соответствуют типичным свойствам звезды F0 V. Однако сила линии поглощения кальция II K и других металлических линий больше похожа на свойства звезды A5 V. Поэтому спектральный тип звезды записывается как kA5 hF0 mA5 V; λ Boo . [3] [4]
Определение возраста этой звезды показывает некоторые вариации в зависимости от используемого метода. Статистически, для звезд, содержащих диск обломков, светимость этой звезды предполагает возраст около 20–150 миллионов лет. Сравнение со звездами, имеющими аналогичное движение в пространстве, дает возраст в диапазоне 30–160 миллионов лет. Учитывая положение звезды на диаграмме Герцшпрунга–Рассела светимости в зависимости от температуры, ее предполагаемый возраст находится в диапазоне 30–1128 миллионов лет. Такие звезды λ Boötis, как правило, молоды, со средним возрастом в миллиард лет. Точнее, астросейсмология также предполагает возраст около миллиарда лет. [10] Однако это оспаривается, поскольку это заставило бы планеты стать коричневыми карликами, чтобы вписаться в модели охлаждения. Коричневые карлики не были бы стабильными в такой конфигурации. Наилучшее принятое значение для возраста HR 8799 составляет 30 миллионов лет, что согласуется с тем, что он является членом ассоциации Колумба — сопутствующей группы звезд . [11]
Более ранний анализ спектра звезды показывает, что она имеет небольшой избыток углерода и кислорода по сравнению с Солнцем (примерно на 30% и 10% соответственно). В то время как некоторые звезды Лямбда Волопаса имеют содержание серы, подобное содержанию серы у Солнца, это не относится к HR 8799; содержание серы составляет всего около 35% от солнечного уровня. Звезда также бедна элементами тяжелее натрия : например, содержание железа составляет всего 28% от содержания железа на Солнце. [12] Астросейсмические наблюдения других пульсирующих звезд Лямбда Волопаса показывают, что необычные закономерности содержания этих звезд ограничиваются только поверхностью: основной состав, вероятно, более нормальный. Это может указывать на то, что наблюдаемое содержание элементов является результатом аккреции газа с низким содержанием металлов из окружающей среды вокруг звезды. [13]
В 2020 году спектральный анализ с использованием нескольких источников данных выявил несоответствие в предыдущих данных и пришел к выводу, что содержание углерода и кислорода в звездах такое же или немного выше, чем в солнечных. Содержание железа было обновлено до 30+6
−5% от солнечной ценности. [7]
Астросейсмический анализ с использованием спектроскопических данных показывает, что наклон вращения звезды ограничен и должен быть больше или приблизительно равен 40°. Это контрастирует с наклонами орбит планет, которые находятся примерно в той же плоскости под углом около 20° ± 10° . Следовательно, может быть необъяснимое несовпадение между вращением звезды и орбитами ее планет. [14] Наблюдение за этой звездой с помощью рентгеновской обсерватории Чандра показывает, что у нее слабый уровень магнитной активности , но рентгеновская активность намного выше, чем у звезды типа А, такой как Альтаир . Это говорит о том, что внутренняя структура звезды больше похожа на структуру звезды F0 . Температура звездной короны составляет около 3,0 миллионов К. [15]
13 ноября 2008 года Кристиан Маруа из Национального исследовательского совета Канадского института астрофизики Герцберга и его команда объявили, что они напрямую наблюдали три планеты, вращающиеся вокруг звезды, с помощью телескопов Кека и Джемини на Гавайях , [21] [22] [23] [24] в обоих случаях используя адаптивную оптику для проведения наблюдений в инфракрасном диапазоне . [b] Предварительное наблюдение внешних трех планет было позже обнаружено на инфракрасных изображениях, полученных в 1998 году с помощью инструмента NICMOS космического телескопа Хаббл , после применения недавно разработанной технологии обработки изображений. [25] Дальнейшие наблюдения в 2009–2010 годах выявили четвертую гигантскую планету, вращающуюся внутри первых трех планет на проецируемом расстоянии чуть менее 15 а. е. , [8] [26] что было подтверждено многочисленными исследованиями. [27]
Внешние планетные орбиты находятся внутри пылевого диска, похожего на пояс Койпера . Это один из самых массивных дисков, известных вокруг любой звезды в пределах 300 световых лет от Земли, и во внутренней системе есть место для планет земной группы . [23] Есть дополнительный диск мусора прямо внутри орбиты самой внутренней планеты. [8]
Радиусы орбит планет e , d , c и b в 2–3 раза больше, чем у орбит Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна соответственно. Из-за закона обратных квадратов, связывающего интенсивность излучения с расстоянием от источника, сопоставимые интенсивности излучения присутствуют на расстояниях в √ 4,9 ≈ 2,2 раза дальше от HR 8799, чем от Солнца, в результате чего соответствующие планеты в солнечной и HR 8799 системах получают схожее количество звездного излучения. [8]
Эти объекты близки к верхнему пределу массы для классификации в качестве планет; если бы они превышали 13 масс Юпитера , они были бы способны к синтезу дейтерия в своих недрах и, таким образом, квалифицировались бы как коричневые карлики в соответствии с определением этих терминов, используемых Рабочей группой МАС по внесолнечным планетам. [28] Если оценки массы верны, система HR 8799 является первой многопланетной внесолнечной системой, которая была напрямую отображена. [22] Орбитальное движение планет происходит против часовой стрелки и было подтверждено многочисленными наблюдениями, начиная с 1998 года. [21] Система, скорее всего, будет стабильной, если планеты e, d и c находятся в резонансе 4:2:1, что означало бы, что орбита планеты d имеет эксцентриситет, превышающий 0,04, чтобы соответствовать ограничениям наблюдений. Планетные системы с наиболее подходящими массами из эволюционных моделей были бы стабильными, если бы внешние три планеты находились в орбитальном резонансе 1:2:4 (аналогично резонансу Лапласа между тремя внутренними галилеевыми спутниками Юпитера : Ио , Европой и Ганимедом , а также тремя планетами в системе Gliese 876 ). [8] Однако оспаривается, находится ли планета b в резонансе с другими 3 планетами. Согласно динамическим моделированиям, планетная система HR 8799 может быть даже внесолнечной системой с множественным резонансом 1:2:4:8. [18] 4 молодые планеты все еще раскалены докрасна из-за тепла своего образования и больше Юпитера, и со временем они остынут и сожмутся до размеров 0,8–1,0 радиуса Юпитера.
Широкополосная фотометрия планет b, c и d показала, что в их атмосферах могут быть значительные облака, [26] в то время как инфракрасная спектроскопия планет b и c указывает на неравновесную химию CO / CH 4. [8] Наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью интегрального полевого спектрографа Project 1640 на Паломарской обсерватории показали, что составы четырех планет значительно различаются. Это сюрприз, поскольку планеты предположительно образовались одинаковым образом из одного и того же диска и имеют схожую светимость. [29]
Дополнительный кандидат на планету был обнаружен в цикле 1 с помощью NIRCam , в 5 угловых секундах к югу от HR 8799. Планируются последующие наблюдения с помощью NIRCam, чтобы подтвердить или отвергнуть этого кандидата. [30]
В ряде исследований спектры планет HR 8799 использовались для определения их химического состава и ограничения сценариев их формирования. Первое спектроскопическое исследование планеты b (выполненное в ближнем инфракрасном диапазоне) обнаружило сильное поглощение воды и намеки на поглощение метана. [31] Впоследствии было также обнаружено слабое поглощение метана и оксида углерода в атмосфере этой планеты, что указывает на эффективное вертикальное перемешивание атмосферы и неравновесное соотношение CO / CH 4 в фотосфере. По сравнению с моделями планетарных атмосфер, этот первый спектр планеты b лучше всего соответствует модели повышенной металличности (примерно в 10 раз больше металличности Солнца), что может подтверждать идею о том, что эта планета образовалась посредством аккреции ядра. [32]
Первые одновременные спектры всех четырех известных планет в системе HR 8799 были получены в 2012 году с помощью инструмента Project 1640 в Паломарской обсерватории. Ближние инфракрасные спектры с этого инструмента подтвердили красные цвета всех четырех планет и лучше всего соответствуют моделям планетных атмосфер, которые включают облака. Хотя эти спектры напрямую не соответствуют ни одному известному астрофизическому объекту, некоторые спектры планет демонстрируют сходство с коричневыми карликами L- и T-типа и ночным спектром Сатурна. Выводы из одновременных спектров всех четырех планет, полученных с помощью Project 1640, можно суммировать следующим образом: Планета b содержит аммиак и/или ацетилен, а также углекислый газ, но содержит мало метана; планета c содержит аммиак, возможно, немного ацетилена, но не содержит ни углекислого газа, ни существенного количества метана; планета d содержит ацетилен, метан и углекислый газ, но аммиак окончательно не обнаружен; планета e содержит метан и ацетилен, но не содержит аммиака или углекислого газа. Спектр планеты e похож на покрасневший спектр Сатурна. [29]
Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона со средним разрешением, полученная с помощью телескопа Кека, определенно обнаружила линии поглощения оксида углерода и воды в атмосфере планеты c. Соотношение углерода к кислороду, которое считается хорошим индикатором истории формирования гигантских планет, для планеты c было измерено и оказалось немного больше, чем у звезды-хозяина HR 8799. Повышенное соотношение углерода к кислороду и обедненные уровни углерода и кислорода на планете c говорят в пользу истории, в которой планета образовалась посредством аккреции ядра. [33] Однако важно отметить, что выводы об истории формирования планеты, основанные исключительно на ее составе, могут быть неточными, если планета претерпела значительную миграцию, химическую эволюцию или выемку ядра. [ необходимо уточнение ] Позже, в ноябре 2018 года, исследователи подтвердили наличие воды и отсутствие метана в атмосфере HR 8799 c с помощью спектроскопии высокого разрешения и адаптивной оптики в ближнем инфракрасном диапазоне ( NIRSPAO ) в обсерватории Кека. [34] [35]
Красные цвета планет могут быть объяснены наличием атмосферных облаков из железа и силиката, в то время как их низкая поверхностная гравитация может объяснить сильные неравновесные концентрации оксида углерода и отсутствие сильного поглощения метана. [33]
В январе 2009 года космический телескоп Spitzer получил изображения осколочного диска вокруг HR 8799. Были выделены три компонента осколочного диска:
Гало необычно и подразумевает высокий уровень динамической активности, которая, вероятно, вызвана гравитационным перемешиванием массивных планет. [36] Команда Spitzer говорит, что столкновения, вероятно, происходят между телами, похожими на те, что находятся в поясе Койпера, и что три большие планеты, возможно, еще не установились на своих окончательных, стабильных орбитах. [37]
На фотографии яркие, желто-белые части пылевого облака исходят из внешнего холодного диска. Огромное протяженное пылевое гало, видимое в оранжево-красном цвете, имеет диаметр ≈ 2000 а.е. Диаметр орбиты Плутона (≈ 80 а.е. ) показан для справки в виде точки в центре. [38]
Этот диск настолько толстый, что он угрожает стабильности молодой системы. [39]
Диск был впервые разрешен с помощью ALMA в 2016 году [40] и позже был повторно получен в 2018 году. Эти более поздние наблюдения были более подробными и были изучены группой астрономов. По словам этой группы, диск имеет гладкий внутренний край и гладкий внешний край. Они также наблюдали возможный внутренний пылевой пояс. [20] Этот внутренний пояс был подтвержден наблюдениями MIRI , которые измерили радиус внутреннего диска в 15 а.е. [19]
До 2010 года телескопы могли напрямую получать изображения экзопланет только при исключительных обстоятельствах. В частности, проще получать изображения, когда планета особенно большая (значительно больше Юпитера ), удалена от своей родительской звезды и горячая, так что она испускает интенсивное инфракрасное излучение. Однако в 2010 году группа из Лаборатории реактивного движения НАСА продемонстрировала, что вихревой коронограф может позволить небольшим телескопам напрямую получать изображения планет. [41] Они сделали это, сфотографировав ранее полученные изображения планет HR 8799, используя всего лишь 1,5-метровую часть телескопа Хейла .
В 2009 году старое изображение NICMOS было обработано, чтобы показать предсказанную экзопланету вокруг HR 8799. [42] В 2011 году еще три экзопланеты были отображены на изображении NICMOS, полученном в 1998 году с использованием передовой обработки данных. [42] Изображение позволяет лучше охарактеризовать орбиты планет, поскольку им требуется много десятилетий, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды. [42]
Начиная с 2010 года, астрономы искали радиоизлучение от экзопланет, вращающихся вокруг HR 8799, с помощью радиотелескопа в обсерватории Аресибо . Несмотря на большую массу, высокую температуру и светимость, подобную коричневым карликам , им не удалось обнаружить никаких излучений на частоте 5 ГГц вплоть до порога обнаружения плотности потока 1,0 мЯн . [43]