Výzkumy v ASU AV ČR (154): Nedostatek horkých Jupiterů u hvězd typu A

V literatuře lze nalézt mnoho studií zabývajících se frekvencí výskytu planet kolem hvězd podobných Slunci, ale jen omezené množství těch, které by studovaly planetární systémy okolo hvězd „středních hmotností“ kolem 1,5 až 3 hmotností Slunce. Přitom zrovna tyto hvězdy jsou z hlediska vyslovených teorií vzniků planetárních systémů velmi zajímavé, protože představují testovatelný vzorek. Většina teorií formování planetárních systémů předpovídá, že četnost výskytu hmotných planet by měla růst s hmotností mateřské hvězdy, minorita teorií pak předpovídá pravý opak. 

I dostupné pozorovací studie jsou v této otázce nejednoznačné. Zvolené typy mateřských hvězd jsou typicky hvězdami spektrálního typu A, které jsou jen obtížně použitelné pro celkovou přehlídku s pomocí spektroskopických metod. Mají ve spektru málo čar a (většinou) rychle rotují, jejich určené parametry jsou také často nespolehlivé. Navíc spektroskopické přehlídky umožňují detekovat jen planety na drahách s poloosou alespoň 0,5 astronomické jednotky, přičemž z hlediska modelů vývoje planetárních soustav jsou takové přehlídky neúplné, neboť mnohem více vypovídají o správnosti těchto teoriích skutečné četnosti exoplanet s oběžnými dobami kratšími než je 10 dní. Zde se totiž teorie liší. Jedna skupina je přesvědčena, že právě v této „zóně smrti“ mohou velmi ochotně vznikat masivní plynné planety, protože je zde po vzniku hvězdy k dispozici velké množství materiálu. Druhá skupina naopak říká, že vzhledem k tomu, že A hvězdy jsou velmi často (i nerozlišené) dvojhvězdy, gravitačním rušením na blízkých drahách planety vznikat nemohou. Druhá skupina pak přímo předpovídá, že jen 0,15 procenta A hvězd může během pobytu na hlavní posloupnosti hostit planetu typu horký Jupiter. 

Vzhledem k těžkostem s použitím spektroskopickým metod se jeví jako užitečné využít metod jiných, zejména pak metody tranzitní. Ta totiž poskytuje nepřeberné množství pozorovacího materiálu, zejména díky činnosti satelitu Kepler. Tohoto vzorku využil před pěti roky i Luis Balona a publikoval práci, v níž poukázal na zvláštnosti periodogramů 166 z 1974 A hvězd v katalogu Kepleru. Usoudil z toho, že těchto 8 procent A hvězd je obklopeno blízkým souputníkem, a to buď plynnou planetou nebo hnědým trpaslíkem. 

Právě práci Luise Balony se rozhodli revidovat astronomové s početnou českou účastí. K tomu využili dlouhodobou spolupráci mezi Astronomickým ústavem AV ČR a Duryňskou zemskou hvězdárnou v Tautenburgu v Německu. Z vybraného vzorku pozorovaly obě observatoře celkem šest hvězd, pro každou z nich pořídili několik desítek spekter a rozhodli se určit omezení pro hmotnost možného souputníka. Oba dalekohledy patří do třídy „dvoumetrů“, oba jsou vybaveny vysokodisperzními spektrografy. Obě datové řady byly zredukovány identickými metodami a pro jednotlivé hvězdy byly změřeny radiální rychlosti kroskorelační metodou. Z řady radiálních rychlostí pak byl určen horní limit pro hmotnost možné oběžnice. Tento horní limit byl pro šestici vybraných hvězd přibližně mezi čtyřmi a sedmi hmotnostmi Jupiteru. Autoři ihned podotýkají, že tyto horní limity jsou nejspíše důsledkem zdánlivých variací způsobených náhodnými chybami. Jinými slovy nenalezli pro tento kontrolní vzorek dostatečné důkazy pro existenci reálných oběžnic na blízkých oběžných drahách. 

Jiný způsob, jak ověřit tvrzení v článku Luise Balony, je pokusit se odhadnout statistiku detekovaných exoplanet tranzitní metodou na základě numerického modelu a porovnat s realitou. Ve světelných křivkách 166 testovaných A hvězd totiž není spolehlivě detekován jediný tranzit exoplanety. V celkovém vzorku téměř 2000 A hvězd pozorovaných Keplerem je zachycena právě jedna exoplaneta typu horký Jupiter. A teď trochu matematiky: budeme-li předpokládat, že 1,2 procent A hvězd má svého horkého Jupiteru, znamenalo by to, že v celém vzorku musí být 26 hvězd obíháno planetou tohoto typu. To znamená, že bychom měli odhalit právě 13 tranzitujících exoplanet tohoto typu kolem hvězd typu A. Na druhou stranu, pokud je pravděpodobnost výskytu jen 0,15 procent, ve vzorku by byly právě tři horcí Jupiteři a jeden až dva by byli známi. Sofistikovanější matematický model vede k podobným předpovědím. Kdyby tak byla pravděpodobnost výskytu 8,4 procenta, jak vychází z článku Luise Balony, znamenalo by to, že Kepler musel odhalit 49-78 exoplanet požadovaného typu. Zopakujme si, že je známa jedna. 

Dáme-li dva nezávislé indikátory dohromady, nemůžeme než dospět k závěru, že hypotéza vyslovená v článku Luise Balony je nesprávná. Autoři podotýkají, že divné periodogramy je ještě zapotřebí vysvětlit. A v souladu s pracemi jiných autorů nabízejí hned dvě vysvětlení: buď výskyt hvězdných skvrn, souvisejících s velkorozměrovými tlakovými vlnami v atmosféře hvězdy, nebo že jde o projev nehomogenit blízko povrchu. 

Autoři tedy celkově dodávají, že z jejich studie vyplývá, že horní limit na četnost výskytu horkých Jupiterů u A hvězd je 0,75 procenta. Zjevně je tedy horkých Jupiterů u A hvězd méně, než u hvězd chladnějších.  

REFERENCE

S. Sabotta, P. Kabáth a kol., Lack of close-in, massive planets of main-sequence A-type stars from Kepler, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 489 (2019) 2069-2078, preprint arXiv:1908.04570

KONTAKT

Dr. Petr Kabáth
petr.kabath@asu.cas.cz
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stelární oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.