Исследование экзопланет снова поставило под сомнение одну из ключевых моделей формирования планетных систем. Международная группа астрономов выяснила, что так называемый «разрыв радиусов» — загадочная нехватка планет определенного размера — практически исчезает у небольших красных карликов. Результаты работы могут изменить представления ученых о том, как формируются суперземли и мини-Нептуны в галактике Млечный Путь.
Работа основана на данных космического телескопа TESS и опубликована в The Astronomical Journal. Исследователи проанализировали более 8 тысяч звезд класса M — небольших и холодных красных карликов, являющихся самым распространенным типом звезд во Вселенной.
Главный вывод оказался неожиданным: вокруг звезд средней и малой массы почти отсутствует классическая «долина радиусов» экзопланет, которую астрономы считали универсальной особенностью планетных систем.
Что такое «разрыв радиусов» экзопланет
После запуска космических телескопов Kepler и TESS астрономы получили возможность изучать экзопланеты не по отдельности, а как огромную статистическую популяцию.
Именно тогда ученые заметили странную закономерность.
Среди небольших планет, расположенных близко к своим звездам, наблюдается явный дефицит объектов размером примерно от 1,5 до 2 радиусов Земли. Астрономы назвали это явление:
- radius valley;
- radius gap;
- Fulton Gap;
- «долиной радиусов».
По одну сторону этой «долины» находятся суперземли — преимущественно каменистые планеты размером немного больше Земли.
По другую — мини-Нептуны или субнептуны, обладающие более плотными атмосферами и значительным количеством газов.
Планет промежуточного размера оказалось неожиданно мало.
Это стало одной из главных загадок современной экзопланетологии.
Почему ученые считали этот разрыв очень важным
«Разрыв радиусов» оказался крайне ценным наблюдением, поскольку он напрямую связан с происхождением планет.
Астрономы предложили несколько объяснений.
Наиболее популярная теория связана с фотоиспарением атмосферы.
Согласно этой модели:
- Многие молодые планеты первоначально имеют газовые оболочки.
- Излучение звезды постепенно нагревает атмосферу.
- Часть планет теряет газ.
- После потери атмосферы остаются плотные каменистые ядра — суперземли.
Более крупные планеты сохраняют атмосферу и остаются мини-Нептунами.
Именно этот процесс должен формировать «долину радиусов».
Существуют и другие гипотезы:
- потеря атмосферы из-за внутреннего тепла ядра;
- различия в составе протопланетных дисков;
- особенности миграции планет;
- влияние водяного льда и положения снеговой линии.
До недавнего времени считалось, что этот механизм работает практически одинаково во всех типах звездных систем.
Новое исследование показывает, что это может быть не так.
Что обнаружили ученые
Команда под руководством Эрика Гиллиса из Университета Макмастера провела одно из самых глубоких исследований планет вокруг красных карликов средней и малой массы.
Для работы использовались данные TESS по 8134 звездам класса M. Исследователи нашли 77 подтвержденных кандидатов в экзопланеты.
Главное открытие заключалось в распределении размеров планет.
У звезд типа F, G и K — включая Солнце — распределение имеет два выраженных пика:
- суперземли;
- мини-Нептуны.
Между ними находится заметный дефицит планет.
Но у средних и поздних красных карликов распределение оказалось совершенно другим.
Вместо двух отдельных групп ученые увидели практически непрерывное распределение размеров планет без выраженного разрыва.
Иными словами, «долина радиусов» почти исчезает.
Почему красные карлики так важны для астрономии
Красные карлики — самые многочисленные звезды Млечного Пути.
По современным оценкам, они составляют около 70–75% всех звезд галактики.
Такие звезды:
- значительно меньше Солнца;
- холоднее;
- тусклее;
- живут гораздо дольше.
Именно поэтому они считаются одним из главных направлений поиска потенциально обитаемых миров.
Кроме того, экзопланеты возле красных карликов легче обнаруживать.
Причины просты:
- маленькая звезда сильнее «реагирует» на планету;
- транзиты выглядят заметнее;
- орбиты ближе к звезде;
- периоды обращения короче.
Благодаря этому многие известные суперземли обнаружены именно вокруг M-карликов.
Ученые нашли огромное количество суперземель
Исследование показало, что вокруг небольших красных карликов суперземли встречаются намного чаще мини-Нептунов.
Согласно результатам работы:
- на одну звезду приходится примерно 0,95 суперземли;
- число субнептунов составляет лишь около 0,15 на звезду.
То есть суперземли превосходят мини-Нептуны примерно в 5,5 раза.
Это резко отличается от многих систем вокруг звезд, похожих на Солнце.
Фактически вокруг маломассивных звезд газовые мини-Нептуны становятся редкостью.
Что это говорит о формировании планет
Исследование поддерживает одну из современных моделей планетообразования — модель аккреции «гальки» (pebble accretion).
Согласно этой теории:
- небольшие твердые частицы постепенно собираются в планетезимали;
- затем формируются ядра планет;
- положение относительно снеговой линии определяет состав будущего мира.
Снеговая линия — это область протопланетного диска, за которой вода может существовать в виде льда.
Для красных карликов она расположена значительно ближе к звезде, чем в Солнечной системе.
Это может радикально менять архитектуру планетных систем.
Исследователи предполагают:
- суперземли формируются внутри снеговой линии;
- мини-Нептуны — за ее пределами;
- затем часть планет мигрирует внутрь системы.
Но у небольших звезд этот механизм работает иначе.
Возможно, дело не в потере атмосферы
Ранее многие ученые считали, что «разрыв радиусов» формируется главным образом из-за испарения атмосфер.
Но новое исследование показывает, что этого объяснения может быть недостаточно.
Если бы атмосферы разрушались одинаково во всех системах, «долина радиусов» должна была бы присутствовать и у красных карликов.
Однако этого не наблюдается.
Это означает, что решающую роль могут играть не процессы разрушения атмосфер, а первоначальные условия формирования планет.
Фактически различия появляются еще на стадии рождения планетных систем.
Почему это важно для поиска жизни
Результаты работы напрямую связаны с поиском потенциально обитаемых миров.
Суперземли считаются одними из главных кандидатов на существование жизни за пределами Солнечной системы.
Если красные карлики действительно преимущественно формируют каменистые планеты, это резко увеличивает число потенциально пригодных для жизни миров в галактике.
Однако ситуация остается сложной.
Красные карлики обладают рядом опасных особенностей:
- мощные вспышки;
- интенсивное ультрафиолетовое излучение;
- сильная звездная активность;
- вероятность приливного захвата планет.
Поэтому наличие суперземли еще не означает пригодность для жизни.
Солнечная система выглядит необычно
Одновременно исследование подчеркивает, насколько необычной может быть наша собственная система.
В Солнечной системе нет:
- суперземель;
- мини-Нептунов;
- планет между Землей и Нептуном по размеру.
Между тем именно такие планеты оказались самыми распространенными во Вселенной.
Это означает, что Солнечная система может быть менее типичной, чем считалось ранее.
Изучение экзопланет постепенно показывает, что архитектура планетных систем бывает чрезвычайно разнообразной.
TESS продолжает менять представления о галактике
Космический телескоп TESS стал одним из главных инструментов современной экзопланетологии.
Аппарат был запущен NASA в 2018 году и продолжает искать планеты транзитным методом — фиксируя небольшие падения яркости звезд при прохождении планеты перед диском звезды.
За годы работы миссия помогла обнаружить тысячи кандидатов в экзопланеты.
Недавно ученые даже сообщили о более чем 10 тысячах новых кандидатов, найденных с помощью алгоритмов машинного обучения при анализе данных TESS.
По мере накопления статистики астрономы получают возможность изучать уже не отдельные планеты, а целые популяции миров.
Именно такие исследования сейчас начинают менять фундаментальные модели формирования планет.
Почему открытие может повлиять на будущие миссии
Результаты работы важны для будущих телескопов:
- James Webb;
- Nancy Grace Roman Space Telescope;
- Extremely Large Telescope;
- Habitable Worlds Observatory.
Теперь ученые смогут точнее выбирать цели для изучения атмосфер экзопланет.
Особенно важны системы вокруг красных карликов, поскольку именно там вероятность обнаружения каменистых миров может оказаться максимальной.
Астрономия экзопланет переходит к новому этапу
Еще двадцать лет назад человечество знало лишь несколько экзопланет.
Сегодня число подтвержденных миров превышает 6 тысяч, а количество кандидатов — десятки тысяч.
На этом фоне астрономия постепенно переходит от простого поиска планет к пониманию глобальных закономерностей их формирования.
Исследование «долины радиусов» показывает, что даже фундаментальные модели могут зависеть от типа звезды, массы системы и условий формирования протопланетного диска.
И чем больше данных получают ученые, тем очевиднее становится, что разнообразие планетных систем во Вселенной значительно превосходит прежние представления человечества.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
