Художественное изображение экзопланеты, водяной лед на поверхности которой все больше испаряется и образует атмосферу во время приближения к центральной звезде планетной системы. Этот процесс увеличивает измеренный радиус планеты по сравнению со значением, которое планета имела бы в месте своего происхождения. Фото: Томас Мюллер (MPIA)
Обычно планеты в развитых планетных системах, таких как Солнечная система, следуют по стабильным орбитам вокруг своей центральной звезды. Однако многие признаки позволяют предположить, что некоторые планеты могли покинуть места своего рождения во время ранней эволюции, мигрируя внутрь или наружу.
Эта планетарная миграция может также объяснить наблюдение, которое озадачивало исследователей в течение нескольких лет: относительно небольшое количество экзопланет с размерами примерно в два раза больше Земли, известное как долина радиуса или разрыв. И наоборот, существует множество экзопланет меньше и больше этого размера.
«Шесть лет назад повторный анализ данных космического телескопа «Кеплер» выявил нехватку экзопланет размером около двух радиусов Земли», — объясняет Ремо Берн, исследователь экзопланет из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге. Он является ведущим автором статьи, сообщающей о результатах, изложенных в этой статье, которая теперь опубликована в журнале Nature Astronomy.
Откуда берется радиусная долина?
«Фактически, мы — как и другие исследовательские группы — предсказывали на основе наших расчетов еще до этого наблюдения, что такой разрыв должен существовать», — объясняет соавтор Кристоф Мордасини, член Национального центра компетенции в области исследований (NCCR). ПланетыС. Он возглавляет отдел космических исследований и планетарных наук в Бернском университете. Это предсказание возникло во время его работы в качестве ученого в MPIA, которая уже много лет занимается исследованиями в этой области совместно с Бернским университетом.
Наиболее часто предлагаемый механизм, объясняющий появление такой долины радиуса, заключается в том, что планеты могут потерять часть своей первоначальной атмосферы из-за облучения центральной звезды, особенно летучих газов, таких как водород и гелий. «Однако это объяснение не учитывает влияние планетарной миграции», — поясняет Берн.
Уже около 40 лет установлено, что при определенных условиях планеты с течением времени могут перемещаться внутрь и наружу по планетным системам. Насколько эффективна эта миграция и в какой степени она влияет на развитие планетных систем, зависит ее вклад в формирование радиусной долины.
Загадочные субнептуны
В диапазоне размеров, окружающем разрыв, обитают два разных типа экзопланет. С одной стороны, есть каменистые планеты, которые могут быть более массивными, чем Земля, и поэтому называются суперземлями. С другой стороны, астрономы все чаще открывают в далеких планетных системах так называемые субнептуны (также мини-нептуны), которые в среднем немного крупнее суперземель.
«Однако в Солнечной системе нет экзопланет такого класса», — отмечает Берн. «Вот почему даже сегодня мы не совсем уверены в их структуре и составе».
Тем не менее, астрономы в целом согласны с тем, что эти планеты обладают значительно более протяженной атмосферой, чем каменистые планеты. Следовательно, понимание того, как характеристики этих субнептунов способствуют разнице в радиусах, остается неопределенным. Может ли этот разрыв даже свидетельствовать о том, что эти два типа миров формируются по-разному?
Число экзопланет уменьшается с 1,6 до 2,2, образуя выраженную долину в распределении. Вместо этого существует больше планет с размерами около 1,4 и 2,4 земного радиуса. Последние модели, впервые учитывающие реалистичные свойства воды, показывают, что ледяные планеты, мигрирующие внутрь планетных систем, образуют плотные атмосферы из водяного пара. Из-за этого они кажутся больше, чем они были бы в месте своего происхождения. Они дают пик около 2,4 радиуса Земли. В то же время более мелкие каменистые планеты со временем теряют часть своей первоначальной газовой оболочки, вызывая уменьшение их измеренного радиуса и, таким образом, способствуя накоплению около 1,4 радиуса Земли. Фото: Р. Берн, К. Мордасини / MPIA
Блуждающие ледяные планеты
«Основываясь на моделировании, которое мы уже опубликовали в 2020 году, последние результаты указывают и подтверждают, что вместо этого эволюция субнептунов после их рождения вносит значительный вклад в наблюдаемую долину радиуса», — заключает Джулия Вентурини из Женевского университета. Она является членом коллаборации PlanetS и руководила исследованием 2020 года.
В ледяных регионах мест своего рождения, где планеты получают мало согревающего излучения от звезды, субнептуны действительно должны иметь размеры, отсутствующие в наблюдаемом распределении. По мере того как эти предположительно ледяные планеты мигрируют ближе к звезде, лед тает, в конечном итоге образуя густую атмосферу из водяного пара.
Этот процесс приводит к сдвигу радиусов планет в сторону больших значений. В конце концов, наблюдения, используемые для измерения радиусов планет, не могут отличить, обусловлен ли установленный размер только твердой частью планеты или дополнительной плотной атмосферой.
При этом, как уже предполагалось на предыдущем рисунке, каменистые планеты «сжимаются», теряя атмосферу. В целом оба механизма приводят к отсутствию планет размером около двух радиусов Земли.
Физические компьютерные модели, моделирующие планетные системы
«Теоретические исследования группы Берн-Гейдельберг уже значительно продвинули наше понимание формирования и состава планетных систем в прошлом», — объясняет директор MPIA Томас Хеннинг. «Таким образом, нынешнее исследование является результатом многих лет совместной подготовительной работы и постоянного улучшения физических моделей».
Последние результаты основаны на расчетах физических моделей, которые прослеживают формирование планет и последующую эволюцию. Они охватывают процессы в газовых и пылевых дисках, окружающих молодые звезды, которые порождают новые планеты. Эти модели включают возникновение атмосфер, смешение различных газов и радиальную миграцию.
«Центральное место в этом исследовании занимали свойства воды при давлении и температуре, возникающие внутри планет и их атмосфер», — объясняет Бёрн. Понимание того, как вода ведет себя в широком диапазоне давлений и температур, имеет решающее значение для моделирования. Лишь в последние годы эти знания приобрели достаточное качество. Именно этот компонент позволяет реалистично рассчитать поведение субнептуна и, следовательно, объяснить проявление обширных атмосфер в более теплых регионах.
«Удивительно, как в данном случае физические свойства на молекулярном уровне влияют на крупномасштабные астрономические процессы, такие как формирование планетарных атмосфер», — добавляет Хеннинг.
«Если бы мы распространили наши результаты на более прохладные регионы, где вода находится в жидком состоянии, это могло бы указывать на существование водных миров с глубокими океанами», — говорит Мордасини. «На таких планетах потенциально может быть жизнь, и благодаря своим размерам они станут относительно простыми целями для поиска биомаркеров».
Дальнейшая работа впереди
Однако текущая работа является лишь важной вехой. Хотя смоделированное распределение размеров близко соответствует наблюдаемому, а зазор по радиусу находится в правильном месте, детали все же имеют некоторые несоответствия. Например, в расчетах слишком много ледяных планет оказываются слишком близко к центральной звезде. Тем не менее, исследователи не воспринимают это обстоятельство как недостаток, а надеются таким образом узнать больше о планетарной миграции.
Наблюдения с помощью таких телескопов, как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) или строящийся Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT), также могут помочь. Они были бы способны определять состав планет в зависимости от их размера, тем самым обеспечивая проверку описанного здесь моделирования.
Ученые MPIA, участвовавшие в этом исследовании, — Ремо Берн и Томас Хеннинг.
Среди других исследователей — Кристоф Мордасини (Университет Берна, Швейцария). [Unibe]), Локеш Мишра (Университет Женевы, Швейцария) [Unige]и Unibe), Йонас Халдеманн (Unibe), Джулия Вентурини (Unige) и Александр Эмсенхубер (Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана, Германия, и Unibe).
Космический телескоп НАСА «Кеплер» искал планеты вокруг других звезд в период с 2009 по 2018 год и за время своей работы обнаружил тысячи новых экзопланет. Он использовал транзитный метод: когда орбита планеты наклонена так, что плоскость находится в пределах поля зрения телескопа, планеты периодически блокируют часть света звезды во время своей орбиты. Это периодическое колебание яркости звезды позволяет косвенно обнаружить планету и определить ее радиус.
Информация от: Обществом Макса Планка
