С чего начинаются планеты, или как увидеть столкновение миров

На заключительных этапах формирования планет юные планетарные эмбрионы врезаются в другие протопланеты, заставляя их поверхности и мантии интенсивно плавиться. Одно из таких столкновений между будущей Землей и ударившей по ней Тейей создало систему Земля-Луна и привело к возникновению магматического океана: смеси расплавленных силикатов и летучих веществ, простирающейся по всей мантии. Океаны магмы подготовили почву для ранней поверхности и атмосферы, на которой в конечном итоге развились условия жизни.

К сожалению геофизиков, но, к счастью для жизни в целом, несколько миллиардов лет тектоники плит на Земле уничтожили отчетливые признаки океана магмы, и поэтому ученые едва понимают, как этот горячий и расплавленный мир превратился в пригодную для жизни планету. Однако считается, что общие принципы формирования каменистых планет схожи в системах других звезд, и, следовательно, мощнейшие воздействия не редки на планетах, которые в настоящее время формируются на орбитах молодых светил.

Это дает возможность сделать снимок послесвечения от гигантских ударов в экзопланетных системах. Прямое обнаружение расплавленной протопланеты станет ключом к ранним этапам эволюции планет.

Охота за расплавленными мирами

Юные протопланеты очень горячие и яркие, поскольку температура их поверхности может достигать 3000 ?С. Таким образом, можно подумать, что их легко обнаружить в ночном небе, но, к сожалению, это не совсем так. Фактически, когда расплавленная мантия затвердевает, растворенные в ней летучие вещества, такие как вода и углекислый газ, постепенно высвобождаются в атмосферу. В отсутствие сильных звездных ветров или высокого уровня ультрафиолетового излучения звезды атмосфера планеты будет утолщаться, тем самым скрывая поверхность. При этом она будет действовать как одеяло, продлевая период охлаждения океана магмы.

В то время как существование магматических океанов было предложено теоретическими моделями формирования планет, глобальное расплавление тел в результате столкновений между протопланетами еще не наблюдалось. Поскольку ожидается, что с течением времени количество таких ударов постепенно сокращается, молодые планетные системы дают лучшие шансы для обнаружения таких объектов.

Однако, чтобы быть видимыми, эти расплавленные тела должны удовлетворять двум условиям. Во-первых, располагаться не слишком близко к их звезде, иначе телескоп не сможет отделить расплавленную протопланету от ее яркой хозяйки. Во-вторых, достаточное количество излучения от океана магмы должно проникать через атмосферу.

Что касается испускаемого излучения, расплавленные протопланеты представляют собой привлекательную мишень для прямой визуализации, потому что они намного ярче, чем старые планеты, подобные Земле. Итак, если мы когда-либо захотим начать сбор непосредственных фотографий землеподобных внесолнечных планет, то расплавленные протопланеты станут хорошим началом!

Каковы шансы обнаружить послесвечение?

К сожалению, даже при использовании самых современных инструментов для визуализации прямое обнаружение расплавленных планет остается вне досягаемости. Однако в 2020-х годах наступит эпоха колоссальных наземных телескопов: Чрезвычайно Большого Телескопа ESO (ELT) в Чили, Гигантского Магелланова телескопа (GMT) в Чили и Тридцатиметрового телескопа (TMT) на Гавайях. В дополнение к новым наземным обсерваториям рассматриваются концепции будущих космических миссий прямой визуализации каменистых планет в обитаемых зонах солнцеподобных звезд, в частности, интерферометр LIFE (Большой интерферометр для экзопланет), обещающий беспрецедентную точность в определении характеристик внесолнечных планет.

Вероятность наблюдения расплавленной планеты зависит от двух основных факторов: совокупного количества гигантских ударов, испытываемого объектами в планетарной системе, и временного интервала, в течение которого расплавленное тело остается достаточно горячим для обнаружения.

Чтобы определить вероятность наблюдения за расплавленными протопланетами, вначале необходимо установить вероятность возникновения гигантских ударов с помощью моделирования образования планет. Компьютерные симуляции отслеживают эволюцию орбиты и рост планетных эмбрионов, когда они в ходе столкновений сливаются в полноценные планеты.

Системы на ранних стадиях образования испытывают наибольшее количество ударов из-за наличия огромного числа зародышей на нестабильных орбитах. При этом те, что вращаются вокруг красных карликов, наиболее распространенных звезд в Млечном Пути, подвергнутся почти вдвое большему количеству ударов, чем вокруг аналогов нашего Солнца. Это очень многообещающе относительно вероятности возникновения магматических океанов, но есть оговорка: протопланеты в таких системах будут располагаться на близких орбитах и ??поэтому не могут быть отделены от излучения звезды. Кроме того, столкновения будут менее энергичны, и, следовательно, тела будут тусклыми. Таким образом, потенциальная наблюдаемость становится функцией возраста звезды, количества ударов и энергии столкновений.

Учитывая частоту возникновения магматического океана, ученые вычислили эволюцию и период существования океанов магмы для определения изменений температуры поверхности в зависимости от размера планеты и толщины ее атмосферы, которая выражается так называемой излучательной способностью: чем она ниже, тем более изолирующей является атмосфера.

Большие протопланеты с толстой атмосферой будут поддерживать океаны магмы дольше, но они также будут показывать более низкое излучение и, скорее всего, окажутся ниже уровня чувствительности телескопов. Важно отметить, что вероятный состав экзопротопланет может существенно отличаться от ранних планет Солнечной системы. Таким образом, коэффициент излучения зависит от дополнительного параметра: разнообразие составов и масс экзопланетных атмосфер.

Естественно, лучшее место для начала поиска расплавленных планет с ELT или LIFE определяется близостью к Солнечной системе. Наиболее перспективными целями являются молодые, близкие и массивные звездные группы. Представьте, что у ученых уже есть «подходящий» телескоп, и они должны рассмотреть все отдельные звезды в ассоциации. Будет ли найдена расплавленная протопланета? Ни «да», ни «нет». Ответом станет статистическая вероятность, зависящая от ряда физических параметров.

Например, ассоциация ? Pictoris (Бета Живописца), расположенная в 63 световых годах от Солнца, включает 31 звезду, средний возраст которых составляет 23 миллиона лет. Вероятность обнаружить по крайней мере одну планету с океаном магмы среди их планетных систем будет пренебрежимо мала при использовании нечувствительного фильтра, но может достигнуть 80% для наблюдений с LIFE на длине волны 5,6 микрометра или с ELT на длине волны 2,2 микрометра.

Что означают эти цифры и что делать дальше?

Остается ряд вопросов. Например, до сих пор неясно, вокруг всех ли звезд рождаются планеты и какие типы планет стоит ожидать в зависимости от класса светила.

Более ранние исследования, в которых обсуждалась потенциальная наблюдаемость расплавленных планет, задавались вопросом, можно ли зафиксировать послесвечение гигантского удара, аналогичного тому, что создал Луну, при наличии условий прото-Земли. Тем не менее, обзор экзопланет в последние десятилетия показали, что их многие характеристики (состав, масса, радиус, орбита и прочие) дико отличаются от всего, что предполагалось в результате изучения Солнечной системы. Поэтому ученые ожидают огромных различий между композиционными свойствами молодых протопланет и их атмосфер, то есть вопрос о потенциальной наблюдаемости формирующейся прото-Земли интересен, но неважен из-за незначительной вероятности присутствия подобных протопланет в обозримых окрестностях Солнца.

Чтобы приблизиться к обнаружению расплавленной протопланеты в ближайшие несколько лет, необходимо решить несколько ключевых вопросов: каковы типичные вариации атмосфер каменистых планет, как летучие вещества распределяются между мантией и атмосферой?

Наблюдательные кампании позволят ученым улучшить понимание атмосферных свойств и композиционных распределений. Кроме того, потребуется лучше ограничить характеристики отдельных звезд-членов наиболее перспективных ассоциаций: ? Pictoris, Columba, TW Hydrae и Tucana-Horologium. Для этого нужны совместные усилия теоретиков и наблюдателей, астрономов, геофизиков и геохимиков.

В итоге, когда-то в не слишком отдаленном будущем, мы сможем увидеть проблеск светящегося молодого мира, который может быть не так уж и отличается от нашего собственного дома во Вселенной.

Арина Васильева
редактор-переводчик