Ученые открывают все новые планеты, и их удивляет одна закономерность

Космический телескоп НАСА для исследования транзитных экзопланет находит все новые небесные тела вне Солнечной системы. Астрономы обнаружили некоторую закономерность в размерах планет, и это их озадачивает. Похоже, нужные некие новые идеи, дабы объяснить, как формируются планеты. Журнал «Кванта» рассказывает об исследовании этого вопроса.

Когда сформировалось Солнце, пыль и газ, оставшиеся от родившего его облака, постепенно превратились в восемь планет, которые мы наблюдаем сегодня. Маленькие и твердые планеты держатся поближе к нашему светилу. Гигантские газовые миры плавают в Солнечной системе на значительном удалении от центра. Вокруг бесчисленных звезд в галактическом пространстве этот процесс повторяется в том или ином виде, создавая огромное количество планет самых разных размеров — за исключением тех, что немного больше нашей Земли.

Космический телескоп НАСА для исследования транзитных экзопланет (TESS) ведет постоянную охоту и находит все новые небесные тела вне Солнечной системы. Но таинственный пробел в размерах, впервые замеченный в 2017 году, упорно сохраняется. Это указывает на то, что ученым нужные некие новые идеи, дабы объяснить, как формируются планеты в далеком космическом пространстве и рядом с нашей системой.

Астрономы с момента начала работы телескопа TESS в апреле 2018 года нашли сотни возможных планет вокруг ближайших звезд и подтвердили существование 24 миров. Казалось бы, в нашей галактике должно быть огромное множество маленьких планет, особенно в два-четыре раза больше Земли, и прочих небесных тел размером с Землю. Но по какой-то странной причине планеты с радиусом в полтора-два раза больше земного встречаются крайне редко.

Малочисленность таких планет имеет свое название — «пробел Фултона» по имени ведущего автора исследования, заметившего эту закономерность. Впервые эту закономерность удалось выяснить при помощи космического телескопа «Кеплер», который занимался поиском экзопланет почти 10 лет, после чего передал эстафетную палочку TESS. В статистической корзине у TESS пока недостаточно планет, чтобы подтвердить или опровергнуть выкладки Фултона; но эта тенденция сохраняется, и астрономы говорят, что пробел Фултона вряд ли исчезнет.

В апреле в «Письмах Астрофизического журнала» (Astrophysical Journal Letters) появилась работа коллектива во главе с астрономом из Массачусетского технологического института Дайаной Драгомир (Diana Dragomir), который обрабатывает данные с телескопа TESS. Ученые сообщили об открытии звездной системы, в которой есть две планеты с размерами чуть больше и чуть меньше пробела Фултона. Одну они назвали «мини-Нептун», и ее радиус примерно в 2,6 раза превышает радиус Земли. Вторая — маленькая Земля, потому что по размерам она составляет 90% от нашей планеты. Она стала первой планетой земного размера в каталоге TESS.

По словам Драгомир, пробел в радиусе указывает на некоторые правила формирования планет, и также на то, что происходит с ними на начальном этапе. Поскольку атмосфера планеты может составлять значительную часть ее радиуса, многие выдвигают различные идеи о том, что могло случиться с этой атмосферой. Драгомир считает, что здесь возможно применение концепции, обратной принципу Златовласки, согласно которой твердые планеты средних размеров с атмосферой недолговечны. «Надо быть достаточно большой, чтобы удержать атмосферу. А иначе, если планета среднего, промежуточного размера, недостаточно большая, то она довольно быстро потеряет свою атмосферу, — сказала она. — Это нечто вроде перетягивания каната, ибо остаться в середине очень и очень трудно».

Идея о потере атмосферы весьма разумна, но это лишь одна из трех общих теорий, говорит астроном из Массачусетского технологического института Сара Сигер (Sara Seager), являющаяся заместителем директора программы TESS по науке. Другая теория гласит, что пробел является прямым результатом зарождения планет. Возможно, это следствие местоположения или состава газа и пыли, которые остались после рождения звезды. Есть и третья теория, согласно которой процесс охлаждения планет заставляет атмосферу испаряться. Этот эффект носит название «потери массы из-за ядра». В прошлом году Акаш Гупта (Akash Gupta) и Хильке Шлихтинг (Hilke Schlichting) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в ходе своих исследований продемонстрировали, что планеты определенных размеров излучают изнутри себя тепловую энергию в космическое пространство, и поэтому их атмосфера постепенно уходит, из-за чего они могут оказаться по другую сторону пробела Фултона.

Такой пробел создает статистические закономерности, добавляя к ним все больше деталей. Во многих экзопланетных системах, как и в нашей собственной, астрономы обнаруживают, что планеты размером поменьше имеют тенденцию обращаться по орбите ближе к своей материнской звезде, а самые большие планеты обычно находятся на существенном удалении. По словам Сигер, близость маленьких планет к их звездам может быть одной из причин их небольшого размера. Возможно, вначале они были большими, как и их удаленные от центра сестры, но потеряли свою атмосферу, а следовательно, большую массу из-за мощного теплового и ультрафиолетового излучения своих звезд.

Ученые полагают, что нечто подобное произошло с Марсом. Изначально у него была плотная атмосфера, но когда он утратил свое защитное магнитное поле, Солнце начало постепенно выдувать ее. По словам Сигер, даже Земля теряет часть своей водородной оболочки.

«У некоторых других систем ранняя история может быть еще суровее, — сказала она. — В будущем мы хотим взглянуть на атмосферы планет, может быть, это даст нам какую-нибудь информацию».

Что касается состава различных экзопланет, то по словам Сигер, астрономы пока не могут сказать, каковы они изнутри, по крайней мере, большинство из них. Но они пытаются это выяснить. Самые ожесточенные дебаты идут о планетах, которые в два-четыре раз больше Земли. Их называют супер-Землями или мини-Нептунами. Некоторые астрономы считают, что это шары из твердых пород, окруженные плотной водородной атмосферой. Другие же полагают, что они покрыты водой в твердом, жидком либо в газообразном состоянии. В прошлом месяце группа астрономов во главе с бывшей студенткой Сигер Ли Цзэн (Li Zeng), которая работает в Гарварде, сообщила о результатах компьютерного моделирования, которые указывают на то, что эти похожие планеты являются водными мирами. Некоторые на 50% состоят из воды, которая существует в весьма экзотических формах. Эта вода может быть целиком жидкой, либо твердой в виде сжатого под высоким давлением льда, который называют суперионным льдом. Он находится на глубине нескольких тысяч километров под поверхностью, объяснила Цзэн.

«Этот лед под высоким давлением по сути очень похож на силикатные породы в глубокой мантии Земли. Он горячий и твердый, — написала Цзэн по электронной почте. — Это невообразимые океаны, бездонные. Это совсем другие миры по сравнению с нашей Землей».

По словам Цзэн, эти супер-Земли или мини-Нептуны могут встречаться чаще, чем планеты нашей Солнечной системы. Вот уж поистине нет ничего лучше родного дома. Но у Драгомир на сей счет есть свои сомнения. Она отмечает, что у телескопа «Кеплер» было почти десять лет на поиски закономерностей, существующих среди планетарного изобилия, а TESS только начал свою работу. Если «Кеплер» исследовал лишь небольшой участок звездного неба в созвездии Лебедь, то TESS будет изучать все небо, площадь которого в 400 раз больше поля обзора «Кеплера». Кроме того, TESS сфокусируется на ярких и близких звездах, которые впоследствии можно будет исследовать при помощи наземных телескопов.

Драгомир ждет результатов долговременных наблюдений телескопа TESS за планетами, обращающимися вокруг своих звезд на большом расстоянии. Увидеть эти миры сложнее в силу элементарной геометрии. TESS обнаруживает присутствие планеты, изучая темные метки в свечении звезд, которые говорят о том, что перед звездой что-то пролетает. У планет, обращающихся вокруг своих звезд на большом расстоянии, уходит много времени, чтобы пролететь перед своей звездой, и они создают длительную отметку, засечь которую сложнее. Кроме того, они меньше приглушают свет звезд.

По словам Драгомир, делать выводы о том, какие планеты формируются в данный момент, а какие нет, нельзя, поскольку это все равно что искать иголку в одном проценте стога сена и заявлять: «А иголки-то нет».