Планеты, которые не те, чем кажутся

Когда астрономы начали исследовать космос в поисках признаков присутствия планет у других звёзд, они думали, что будут смотреть в зеркало. Все ожидали увидеть в отражении себя – в конце концов, ни в нас, ни в нашем месте в космосе, кажется, нет ничего особенного. Это должно было быть упражнением для галочки.

Однако чем больше миров находили, тем больше понимали, что когда речь заходит об экзопланетах, Вселенная напоминает зал кривых зеркал, где правду от вымысла отличить весьма трудно.

Мы обнаружили целые классы планет, которых нет в нашей собственной системе. Например, горячие юпитеры – миры, которые обращаются вокруг своих звёзд за считанные дни, где идёт железный дождь и дуют свирепые ветра. Но, пожалуй, самым шокирующим открытием стало то, что существуют целые планетные системы, в которых нет ни одного мира, похожего на нам знакомые.

Планеты Солнечной системы можно аккуратно разделить на небольшие каменистые миры и более крупные газовые гиганты. Между ними нет никакой путаницы. Однако вновь и вновь мы находим звёзды, у которых есть планеты, по своим габаритам занимающие промежуточное положение между Землёй и Нептуном.

По словам Бьёрна Беннеке из Монреальского университета, их существование не подразумевается нашими традиционными моделями формирования планет. Однако из 4438 подтверждённых экзопланет 2422 имеют радиус от одного до четырёх земных (статья была издана в феврале 2022 года; в марте NASA объявило о том, что количество подтверждённых экзопланет превысило 5000 – прим. переводчика). Тот факт, что они, по-видимому, доминируют в популяции экзопланет, заставил астрономов слегка покраснеть. «Мы должны быть в состоянии объяснить природу самой распространённой группы планет, – говорит Беннеке. – Но в данный момент мы от этого довольно далеки».

Подобно биологам, пытающимся классифицировать вновь открытый вид, астрономы искали простой способ систематизировать эти незнакомые миры. Изначально классификация по размеру казалась хорошим выбором. Астрономы обнаружили подавляющее большинство таких планет с помощью транзитного метода. Он позволяет оценить радиус планеты: параметр высчитывается исходя из размера звезды и степени падения её яркости при прохождении планеты по диску светила.

Существует множество планет с радиусами в диапазоне от 1 до 1,5 земных. Ещё больше миров имеют радиусы от 2 до 4 земных. Однако между этими двумя группами планет существует пробел, известный как «Фултоновский разрыв»: эта особенность в распределении планет была названа в честь Бенджамина Фултона, который сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте. В 2017 году Фултон стал ведущим автором научной работы, в которой были представлены доказательства существования разрыва. Теперь астрономы используют это понятие для того, чтобы разделить планеты среднего размера на две большие группы: миры поменьше назвали суперземлями, а миры побольше – мининептунами.

Тем не менее, ряд последних исследований показывает, что эта классификация может быть весьма условной. «Между ними существует «серая зона»». Суперземли могут маскироваться под мининептуны, а мининептуны могут со временем стать суперземлями. Мининептуны могут также быть не такими газообразными, как нам кажется. И астрономы усердно работают над тем, чтобы отделить реальные свойства этих планет от их искажённых отражений в космическом зеркальном зале.

Промежуточное звено

Радиус представляет собой довольно упрощённый инструмент для правильной систематизации этого загадочного класса экзопланет. Более полезной в этом контексте может выступать средняя плотность, рассчитанная через известные радиус и массу. Эта величина говорит нам о средней массе каждой единицы объёма экзопланеты, давая подсказки о том, из чего она может состоять. Настоящая суперземля будет достаточно плотной планетой, содержащей много тяжёлых элементов, таких как железо и никель. С другой стороны, имеющие низкую плотность мининептуны, скорее всего, состоят из лёгких газов, таких как водород и гелий.

Но судить о природе планет с неопределённой принадлежностью весьма проблематично. В таких случаях одна и та же средняя плотность может соответствовать нескольким вариантам внутреннего строения. К примеру, планета может практически целиком состоять изо льда. А может только «имитировать» такое состояние – это вполне возможно при правильном соотношении горных пород и газов в её составе. Сейчас мы запросто можем спутать такую пару планет, поскольку имеем в распоряжении только значение средней плотности, но об истинном её распределении не знаем ничего. Некоторые суперземли и мининептуны могут иметь одинаковые радиус и массу.

Циарас полагает, что существует более надёжный путь к составлению классификации. «Если мы действительно хотим провести границу между суперземлями и мининептунами, нам необходимо понять, сколько водорода и гелия они содержат, – говорит он. – Мы не можем говорить об этом, не изучив их атмосферы». Разница может быть разительной: атмосфера Земли содержит всего 0,00005% водорода и 0,0005% гелия, а верхние слои атмосферы Нептуна состоят из этих элементов на 99%.

Представления о составе атмосфер экзопланет астрономы могут получить, изучая свет звёзд, который прошёл через эти газовые оболочки на своём пути к Земле. Молекулы в атмосфере планеты поглощают определённые длины волн – это приводит к появлению пробелов в спектре, которые можно фиксировать. Расположение пробелов в спектре уникально для каждой молекулы: таким образом можно судить о составе атмосферы любого отдельно взятого мира.

И не то чтобы первые попытки сделать это для планет близ Фултоновского разрыва прошли гладко. «Мы продолжали наблюдать плоские спектры», – говорит Беннеке, имея в виду отсутствие в них пробелов. Плоские спектры обычно объясняют облаками или дымкой, которые блокируют прохождение звёздного света через атмосферу планеты, тем самым препятствуя появлению в картине особенностей поглощения. Дошло до того, что комитеты, распределяющие наблюдательное время на крупных телескопах, таких как «Хаббл», становились всё более скептичными и отклоняли подобные предложения. «Они полагали, что мы увидим только больше плоских спектров», – говорит Беннеке.

Поэтому Беннеке сменил курс. Он обратил внимание на более удалённую от звезды планету – холодный мир, где возникновение блокирующих свет облаков менее вероятно. В его поле зрения попала K2-18b. Расположенная на расстоянии 124 световых лет от Земли в созвездии Льва, она обращается вокруг красной карликовой звезды, которая намного меньше Солнца. Год на этой планете длится всего 33 суток: она расположена к своему светилу ближе, чем Меркурий к Солнцу. Но малое расстояние компенсируется слабостью её родной звезды. Фактически, K2-18b получает от неё столько же энергии, сколько Земля получает от Солнца: эта планета находится в зоне обитаемости своего светила, то есть на её поверхности допустимо существование жидкой воды.

Астрономы обнаружили K2-18b в 2015 году и с тех пор не могли определиться, к какому классу отнести эту планету: суперземлям или мининептунам. Статус планеты был поставлен под сомнение вновь после того, как Никку Мадхусудхан из Кембриджского университета использовал данные Беннеке для создания различных моделей внутреннего строения K2-18b.

Мадхусудхан полагает, что водород составляет не более 6% массы планеты. Основываясь на оценке радиуса K2-18b по Беннеке (2,6 земного), он приходит к выводу, что значение средней плотности планеты лежит примерно посередине между таковыми у Земли и Нептуна. Если соотнести такое значение плотности с оценкой доли водорода в массе планеты, то можно допустить, что K2-18b имеет твёрдое ядро.

Учёные считают, что находящаяся между ядром и газовой оболочкой мантия Нептуна в основном состоит изо льда. Но Мадхусудхан утверждает, что средняя плотность K2-18b может указывать на то, что внутри этой экзопланеты происходит что-то ещё. Он рассмотрел три возможные модели внутреннего строения K2-18b, одна из которых предполагает, что планета может обладать большими запасами жидкой воды. В отличие от тонкого слоя воды на Земле, океан K2-18b может занимать б?льшую часть мантии планеты. Если это так, то данный мир скорее напоминает суперземлю или планету-океан, хотя астрономы классифицируют его как мини-нептун, опираясь лишь на оценку радиуса.

Вода, вода повсюду…

Вода редко упоминается в контексте изучения экзопланет вне вопроса о её важности для существования жизни. «Когда мы говорим о жизни и обитаемости, мы рефлекторно думаем о планетах, похожих на Землю, – говорит Мадхусудхан. – Но нам удалось показать, что даже мининептун может быть потенциально жизнепригодным миром».

Беннеке утверждает, что ему удалось обнаружить в атмосфере K2-18b водяной пар. Это подтверждает и Циарас. Однако стоит отметить, что Бруно Безар из Парижской обсерватории полагает, что следы поглощения в спектре атмосферы указывают на метан, а не на воду, что делает K2-18b более похожей на Нептун.

Если Беннеке и Циарас правы, то водяной пар может намекать на одно всем знакомое явление. «Водяной пар способен конденсироваться, образуя падающие капли воды», – говорит Беннеке. Другими словами, существует вероятность того, что на K2-18b идёт самый обыкновенный дождь! Это не совсем то, с чем мы, как правило, ассоциируем нептуноподобную планету (хотя на газовых и ледяных гигантах могут идти дожди из других веществ).

Маловероятно, что K2-18b представляет собой что-то уникальное. «Мининептуны могут выступать в качестве планет-океанов», – говорит Мартин Турбе из Женевской обсерватории. Ранее астрономы предполагали, что большой радиус и довольно низкая плотность планет выше Фултоновского разрыва объясняется толстой водородной оболочкой. «Мы выяснили, что для объяснения видимых характеристик присутствие водорода вовсе не обязательно, – говорит Турбе. – С этой целью подойдёт и вода».

В исследовании от июня 2020 года, опубликованном в журнале Astronomy & Astrophysics, Турбе черпает вдохновение из растущего понимания процессов изменения климата на Земле. Мы знаем, что водяной пар является мощным парниковым газом, который пропускает солнечное тепло к поверхности планеты, но не даёт ему утекать в космос. Планета-океан, расположенная близко к своей звезде, получает много энергии, из-за чего значительное количество воды на ней испаряется в атмосферу. Находящийся в атмосфере водяной пар только усиливает парниковый эффект: средняя температура на планете поднимается, высвобождая всё больше водяного пара в безудержном процессе. «Это увеличивает толщину атмосферы, “раздувая” планету», – говорит Турбе. Со временем экзопланета может обзавестись тем же радиусом, что и нептуноподобные миры, у которых предполагается наличие водородной атмосферы.

Водяной пар даже может быть причиной, по которой Беннеке и другие астрономы наблюдали плоские спектры атмосфер экзопланет. По словам Турбе, у планеты, в атмосфере которой преобладает водяной пар, полосы поглощения будут в десять раз слабее, чем у планеты, большую часть атмосферы которой составляет водород. В результате астрономы получают плоский спектр, практически неотличимый от спектра атмосферы с густой облачностью. «Существующие телескопы не обладают достаточной точностью, чтобы различать эти два сценария в процессе исследования», – говорит Турбе. К счастью, космический телескоп им. Джеймса Уэбба должен помочь астрономам справиться с этой задачей. Он будет способен найти отчётливые особенности поглощения водяного пара в инфракрасном диапазоне длин волн.

Как возникают суперземли?

Все представленные выше открытия на самом деле затрудняют понимание того, как формируются планеты среднего размера. Одна из гипотез говорит о том, что суперземли и мининептуны – это две стадии эволюции одного и того же типа экзопланет. Так считает Трэвис Бергер из Гавайского университета в Маноа. В работе, опубликованной в августе 2020 года, он нашёл доказательства того, что мининептуны могут со временем уменьшаться в размерах, теряя атмосферы и постепенно превращаясь в суперземли. В таком случае Фултоновский разрыв может быть заполнен планетами, находящимися в переходной стадии. В своей недавней работе эту гипотезу подтвердил Тревор Дэвид из Флэтайронского института. Он и его коллеги выяснили, что размер экзопланет в Фултоновском разрыве зависит от возраста материнской звезды. Команда проанализировала чуть менее тысячи экзопланет и обнаружила, что у более молодых звёзд отсутствуют планеты меньшего размера, в то время как у звёзд постарше – более массивные. Поняв это, учёные сделали вывод, что мининептуны с течением времени теряют свои атмосферы.

Гипотеза об утрате атмосфер согласуется с тем фактом, что подавляющее большинство из обнаруженных на текущий момент суперземель имеют период обращения менее 30 суток, находясь довольно близко к своим звёздам. Только 32 планеты этого типа обращаются по орбитам с периодом 100 суток или выше. Однако этот вывод может являться следствием несовершенства метода наблюдений: более удалённые от своих светил суперземли труднее обнаружить через регистрацию транзитов, поскольку они не дают серьёзного падения яркости материнской звезды. Если в распоряжении астрономов появятся более чувствительные инструменты, то не исключено, что будет найдено большое количество суперземель с длинными орбитами. Потерю атмосфер на таких орбитах объяснить сложнее – это будет означать, что существует не один вариант формирования такого рода планет.

Ева Ли из Университета Макгилла полагает, что мы найдём эти удалённые суперземли. «Суперземли малой массы рождаются как землеподобные планеты», – утверждает она.

В недавнем исследовании она сравнила, как у планет с разной массой появляются атмосферы. По мере формирования газовые оболочки планет остывают и уменьшаются, открывая путь для поступления б?льшего количества газа. Важно отметить, что этот процесс прекращается, когда температура атмосферы выравнивается с температурой окружающей среды, в которой находится планета. Благодаря компьютерному моделированию Ли выяснила, что у планет меньшего размера это равновесие наступает намного быстрее, чем у более крупных миров. Максимальное количество газа, которое может аккрецировать планета с массой 1.3 массы Земли, в 100 раз меньше, чем у планеты с массой в две земных. Остановка аккреции не даёт суперземле превратиться в мининептун. Однако недостаток газа в процессе аккреции может компенсироваться процессом миграции. Мигрирующая внутрь своей планетной системы суперземля может увеличиться до размеров мининептуна, что переворачивает идею с потерей атмосферы с ног на голову. Не исключено, что планеты в Фултоновском разрыве – это суперземли, вырастающие в мининептуны, а не наоборот. Это предположение согласуется с идеей Турбе о том, что многие мининептуны представляют собой «распухшие» планеты-океаны, лишённые водородных атмосфер. Имея данные о количественном содержании воды в составе мининептуна учёные могут определить, в какой области своей планетной системы он сформировался. Теоретическая работа под руководством Бертрама Битша из Института астрономии Макса Планка в Германии показывает, что мининептуны с наибольшим процентным содержанием воды возникают вдали от своих звёзд, а затем мигрируют внутрь.

Вода может оказаться ключевым элементом в разрешении спора. Именно поэтому многие астрономы так ждут результатов наблюдений космического телескопа им. Джеймса Уэбба, который поможет исследователям подробно изучить атмосферы мининептунов и узнать, какие ещё секреты они хранят. «Б?льшую часть своих надежд я возлагаю именно на этот телескоп», – говорит Турбе.

В то же время, уже существующие и будущие «охотники за планетами» быстро пополнят растущий список миров среднего размера. Прямо сейчас этой работой занимается космический телескоп NASA TESS. К своему запуску в 2026 году готовится европейская космическая обсерватория PLATO. Спустя три года за ней последует ещё один европейский космический аппарат – телескоп ARIEL, с помощью которого учёные будут наблюдать атмосферы транзитных экзопланет.

К концу десятилетия у нас появится полный список мининептунов. Такая «перепись» позволит решить давнюю загадку о том, как эти миры оказались одними из самых распространённых