Космічний телескоп НАСА для дослідження транзитних екзопланет знаходить все нові небесні тіла поза Сонячної системи. Астрономи виявили певну закономірність у розмірах планет, і це їх спантеличує. Схоже, потрібні якісь нові ідеї, щоб пояснити, як формуються планети. Журнал «Кванта» розповідає про дослідження цього питання.
Коли сформувалося Сонце, пил і газ, що залишилися від родившего його хмари, поступово перетворилися у вісім планет, які ми спостерігаємо сьогодні. Маленькі і тверді планети тримаються ближче до нашого світила. Гігантські газові світи плавають в Сонячній системі на значному віддаленні від центру. Навколо незліченних зірок в галактичному просторі цей процес повторюється в тому чи іншому вигляді, створюючи величезну кількість планет різних розмірів — за винятком тих, що трохи більше нашої Землі.
Космічний телескоп НАСА для дослідження транзитних екзопланет (TESS) веде постійну полювання і знаходить все нові небесні тіла поза Сонячної системи. Але таємничий прогалину в розмірах, вперше помічений в 2017 році, завзято зберігається. Це вказує на те, що вченим потрібні якісь нові ідеї, щоб пояснити, як формуються планети у далекому космічному просторі і поруч з нашою системою.
Астрономи з моменту початку роботи телескопа TESS у квітні 2018 року знайшли сотні можливих планет навколо найближчих зірок і підтвердили існування 24 світів. Здавалося б, у нашій галактиці повинно бути безліч маленьких планет, особливо в два-чотири рази більше Землі та інших небесних тіл розміром із Землю. Але по якійсь дивній причині планети з радіусом у півтора-два рази більше земного зустрічаються вкрай рідко.
Нечисленність таких планет має свою назву — «пробіл Фултона» по імені провідного автора дослідження, помітив цю закономірність. Вперше цю закономірність вдалося з’ясувати за допомогою космічного телескопа «Кеплер», який займався пошуком екзопланет майже 10 років, після чого передав естафетну паличку TESS. У статистичній кошику у TESS поки недостатньо планет, щоб підтвердити або спростувати викладки Фултона; але ця тенденція зберігається, і астрономи говорять, що пробіл Фултона навряд чи зникне.
У квітні у «Листах Астрофізичного журналу» (Astrophysical Journal Letters) з’явилася робота колективу на чолі з астрономом з Массачусетського технологічного інституту Дайаною Драгомир (Diana Dragomir), який обробляє дані з телескопа TESS. Вчені повідомили про відкриття зоряної системи, в якій є дві планети з розмірами трохи більше і трохи менше пробілу Фултона. Одну вони назвали «міні-Нептун», і її радіус приблизно в 2,6 рази перевищує радіус Землі. Друга — маленька Земля, бо за розмірами вона становить 90% від нашої планети. Вона стала першою планетою земного розміру в каталозі TESS.
За словами Драгомир, пробіл в радіусі вказує на деякі правила формування планет, і також на те, що відбувається з ними на початковому етапі. Оскільки атмосфера планети може становити значну частину її радіусу, багато висувають різні ідеї про те, що могло статися з цією атмосферою. Драгомир вважає, що тут можливо застосування концепції, зворотним принципом Златовласки, згідно з якою тверді планети середніх розмірів з атмосферою недовговічні. «Треба бути досить великий, щоб утримати атмосферу. А інакше, якщо планета середнього, проміжного розміру, недостатньо велика, то вона досить швидко втратить свою атмосферу, — сказала вона. — Це щось подібне до перетягування каната, бо залишитися в середині дуже і дуже важко».
Ідея про втрату атмосфери досить розумна, але це лише одна з трьох загальних теорій, говорить астроном з Массачусетського технологічного інституту Сара Сігер (Sara Seager), є заступником директора програми TESS по науці. Інша теорія говорить, що пробіл є прямим результатом зародження планет. Можливо, це наслідок місцезнаходження або складу газу і пилу, які залишилися після народження зірки. Є і третя теорія, згідно з якою процес охолодження планет змушує атмосферу випаровуватися. Цей ефект носить назву «втрати маси через ядра». У минулому році Акаш Гупта (Akash Gupta) та Хильке Шлихтинг (Hilke Schlichting) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі в ході своїх досліджень продемонстрували, що планети певних розмірів випромінюють зсередини себе теплову енергію у космічний простір, і тому їх атмосфера поступово йде, з-за чого вони можуть опинитися по інший бік пробілу Фултона.
Такий пробіл створює статистичні закономірності, додаючи до них все більше деталей. У багатьох экзопланетных системах, як і в нашої власної, астрономи виявляють, що планети розміром поменше мають тенденцію звертатися по орбіті ближче до своєї материнської зірки, а найбільші планети зазвичай знаходяться на значному видаленні. За словами Сігер, близькість маленьких планет до їх зіркам може бути однією з причин їх невеликого розміру. Можливо, спочатку вони були великими, як і їх віддалені від центру сестри, але втратили свою атмосферу, а отже, велику масу з-за потужного теплового і ультрафіолетового випромінювання зірок.
Вчені вважають, що щось подібне сталося з Марсом. Спочатку у нього була щільна атмосфера, але коли він втратив своє захисне магнітне поле, Сонце почало поступово видувати її. За словами Сігер, навіть Земля втрачає частину своєї водневої оболонки.
«У деяких інших систем рання історія може бути ще суворішим, — сказала вона. — У майбутньому ми хочемо поглянути на атмосфери планет, може бути, це дасть нам яку-небудь інформацію».
Що стосується складу різних екзопланет, то за словами Сігер, астрономи поки не можуть сказати, які вони зсередини, принаймні більшість з них. Але вони намагаються це з’ясувати. Найбільш запеклі дебати йдуть про планети, які у два-чотири разів більше Землі. Їх називають супер-Землями або міні-Нептунами. Деякі астрономи вважають, що це кулі з твердих порід, оточені щільною водневою атмосферою. Інші ж вважають, що вони покриті водою в твердому, рідкому або газоподібному стані. Минулого місяця група астрономів на чолі з колишньою студенткою Сігер Чи Цзен (Li Zeng), яка працює у Гарварді, повідомила про результати комп’ютерного моделювання, які вказують на те, що ці схожі планети є водними світами. Деякі на 50% складаються з води, яка існує в досить екзотичних формах. Ця вода може бути цілком рідкій або твердій у вигляді стислого під високим тиском льоду, який називають суперионным льодом. Він знаходиться на глибині декількох тисяч кілометрів під поверхнею, пояснила Цзен.
«Цей лід під високим тиском по суті дуже схожий на силікатні породи в глибокій мантії Землі. Він гарячий і твердий, — написала Цзен по електронній пошті. — Це неймовірні океани, бездонні. Це зовсім інші світи порівняно з нашою Землею».
За словами Цзен, ці супер-Землі або міні-Нептун можуть зустрічатися частіше, ніж планети нашої Сонячної системи. Ось вже воістину немає нічого краще рідного дому. Але у Драгомир на цей рахунок є свої сумніви. Вона зазначає, що у телескопа «Кеплер» був майже десять років на пошуки закономірностей, що існують серед планетарного достатку, а TESS тільки почав свою роботу. Якщо «Кеплер» досліджував лише невелику ділянку зоряного неба в сузір’ї Лебідь, то TESS буде вивчати все небо, площа якого в 400 разів більше поля огляду «Кеплера». Крім того, TESS сфокусується на яскравих і близьких зірок, які згодом можна буде досліджувати за допомогою наземних телескопів.
Драгомир чекає результатів довготривалих спостережень телескопа TESS за планетами, що обертаються навколо своїх зірок на великій відстані. Побачити ці світи складніше в силу елементарної геометрії. TESS виявляє присутність планети, вивчаючи темні мітки у сяйві зірок, які говорять про те, що перед зіркою щось пролітає. У планет, що обертаються навколо своїх зірок на великій відстані, йде багато часу, щоб пролетіти перед своєю зіркою, і вони створюють тривалу позначку, засікти яку складніше. Крім того, вони менше приглушують світло зірок.
За словами Драгомир, робити висновки про те, які планети формуються в даний момент, а які ні, не можна, оскільки це все одно, що шукати голку в одному відсотку стоги сіна і заявляти: «А голки-то немає».
