Космічні телескопи “Кеплер” і TESS розширили наше уявлення про те, якими бувають планети поза Сонячною системою. Інструменти “Джеймса Вебба” і наземні обсерваторії щодня доповнюють ці знання, але є проблема, пояснення якої довго не вдавалося знайти. Розподіл розмірів більш ніж п’яти з половиною тисяч підтверджених екзопланет має помітний провал у діапазоні близько двох радіусів Землі.
Суперземля, що наближається до зірки, атмосфера і льоди якої активно випаровуються. Художня уява/ © Thomas Muller, MPIA
Цю аномалію астрофізики й астрономи передбачили давно, понад 40 років тому, на підставі ймовірності міграції планет по планетарній системі. Ідея була в тому, що, наближаючись до зірки, міні-нептуни (газові карлики), крижані гіганти (планети, схожі на Уран і Нептун) і суперземлі (кам’янисті планети, що мають радіус у діапазоні 1,2-2 земних) втрачають частину своєї речовини. Однак ця теорія має безліч недоліків. Зокрема, вона недостатньо добре передбачає в симуляціях реальний стан речей у нашій та інших відомих планетарних системах.
Команда дослідників з Інституту астрономії товариства Макса Планка (MPIA) вже кілька років намагається поліпшити наявні моделі, що описують еволюцію планетарних систем. Попередня їхня робота 2020 року суттєво наблизила результат симуляції до реальності.
Тепер учені зробили наступний важливий крок і серед іншого додали до розрахунків динаміку поведінки молекулярної води в різних умовах. Це рішення виявилося неймовірно плідним: у результаті симуляція показала розподіл розмірів екзопланет, що дуже близький до справді спостережуваного.
Нову наукову роботу опубліковано в рецензованому журналі Nature Astronomy, її текст перебуває у відкритому доступі. Автори запропонували таке пояснення феномену “дефіциту суперземель“.
- Швидкість росту земної кори досягає максимуму, коли Земля проходить крізь рукави Чумацького Шляху
- Таємничий острів Титану
- Вчені зафіксували останні миті зірки, поглиненої чорною дірою
Міні-нептуни, як і їхні більші “родичі” – крижані гіганти, – формуються в зовнішній частині протопланетного диска. Там міститься більша частина речовини, яку астрофізики називають льодом, тобто все, що має температуру замерзання вище за 100 кельвінів: вода, аміак, метан. Рано чи пізно гравітаційні збурення від більших планет можуть змусити тіла радіусом у діапазоні від півтора до чотирьох земних мігрувати.
Коли міні-нептун наближається до світила, його порівняно тонка атмосфера з гелію і водню починає інтенсивно випаровуватися під дією випромінювання зірки. Цей процес передбачали раніше. А ось нововведення свіжої наукової роботи – ефект від нагрівання “льодів” (особливо води) у складі екзопланети. Детальна симуляція показала, що, випаровуючись, ця речовина формує набагато щільнішу й об’ємнішу атмосферу, ніж вважалося раніше.
Розподіл розмірів спостережуваних (сині стовпці) і симульованих (червоні стовпці) екзопланет. Вертикальна шкала – відсоток від загальної кількості екзопланет, горизонтальна шкала – радіус екзопланет відносно земного. Світло-зеленим показана “долина” відсутніх суперземель і міні-нептунів діаметром від 1,8 до 2,2 земного / © R. Burn, Ch. Mordasini, MPIA
Оскільки наші інструменти не дають змоги окремо вимірювати радіус “твердої” частини екзопланети і товщину її атмосфери, для земних мешканців такі міні-нептуни виглядають істотно більшими. Здебільшого їхні розміри в симуляції виявилися ближчими до 2,4 радіуса нашої планети, що добре узгоджується з результатами спостережень. Простіше кажучи, наближаючись до зірки, газові карлики втрачають невелику частину речовини, але помітно додають в об’ємі.
Суперземлі, своєю чергою, поводяться трохи інакше. Кам’янисті планети формуються близько до світила, і, навіть якщо встигають зібрати багато легкої речовини, більшу її частину з часом забирає випромінюванням зірки. Зберегти великий діаметр у них виходить тільки при формуванні на великій відстані від неї, а це рідкість. Якщо ж кам’яниста екзопланета з народження або внаслідок міграції опиняється ближче до зірки, вона швидко “всихає”.
Дослідники з MPIA не вважають свою поліпшену модель досконалою – у ній, як і раніше, багато неточностей. Зокрема, саме для суперземель симуляція показала найбільшу розбіжність із даними спостережень. І це натякає на подальший напрямок роботи вчених.
Проте нові результати дають змогу краще зрозуміти еволюцію планетарних систем. Особливо те, як впровадження в симуляції повніших моделей поведінки речовини навіть на найменших масштабах допомагає істотно підвищити точність фінального результату.