Почему каменистые планеты в конкретной звездной системе обычно очень похожи? Новая теория, разработанная Константином Батыгиным (Konstantin Batygin), профессором планетологии Калифорнийского технологического института, вместе с Алессандро Морбиделли (Alessandro Morbidelli) из Обсерватории Лазурного Берега во Франции, может объяснить это.
«С увеличением числа наблюдений за экзопланетами в последнее десятилетие стало очевидно, что стандартная теория формирования планет нуждается в пересмотре, начиная с основ. Нам нужна теория, которая сможет объяснить как формирование планет земной группы в нашей Солнечной системе, так и формирование суперземель, многие из которых имеют скалистый состав», — говорит Батыгин.
Планетарные системы начинают свой жизненный цикл как большие вращающиеся диски из газа и пыли, которые конденсируются в течение нескольких миллионов лет. Большая часть газа скапливается в звезде в центре системы, в то время как твердый материал медленно сливается в астероиды, кометы, планеты и спутники. В нашей Солнечной системе это породило два разных типа планет: меньшие, твердые внутренние планеты, ближе к Солнцу, и внешние, более крупные газовые гиганты, богатые водой и водородом, расположенные дальше от Солнца. Вероятно, это произошло в двух отдельных кольцах протопланетного диска: внутреннем, где образовались твердые планеты, и внешнем, где сформировались более массивные ледяные планеты (две из которых — Юпитер и Сатурн — позже стали газовыми гигантами).
Суперземли, как следует из названия, массивнее Земли. У некоторых даже есть водородная атмосфера, из-за которой они выглядят почти как газовые гиганты. Они также часто находятся близко к своим звездам, что позволяет предположить, что они мигрировали с более далеких орбит в свое нынешнее положение.
«Несколько лет назад мы разработали модель, в которой суперземли формировались в ледяной части протопланетного диска и мигрировали к внутреннему краю диска, вблизи звезды», — говорит Морбиделли. «Модель смогла объяснить массы и орбиты суперземли, но предсказала, что все они будут богаты водой. Однако недавние наблюдения показали, что большинство суперземель состоят из горных пород, как и Земля, даже если они окружены водородной атмосферой. Это был похоронный звон по нашей старой модели».
За последние пять лет история стала еще более странной, поскольку ученые изучили эти экзопланеты и сделали необычное открытие: несмотря на то, что существует множество типов суперземель, все суперземли в пределах одной планетной системы похожи с точки зрения орбитального расстояния, размера, массы и других важных характеристик. Создается впечатление, что существует практически планетная фабрика, которая умеет делать только планеты определенной массы и просто штампует их одну за другой.
Какой процесс на такой фабрике мог произвести не только каменистые планеты в нашей Солнечной системе, но и однородные системы каменистых суперземель?
«Ответ связан с тем, что мы узнали в 2020 году», — говорит Батыгин. В то время Батыгин и Морбиделли предложили новую теорию образования четырех крупнейших спутников Юпитера. По сути, они продемонстрировали, что для определенного диапазона размеров пылинок сила, притягивающая пылинки к Юпитеру, и сила (или усилие), выталкивающая эти пылинки во внешнем газовом потоке, полностью компенсируют друг друга. Этот баланс сил создал кольцо материи, из которого сформировались твердые строительные блоки для последующего формирования спутников. Теория также утверждает, что тела в кольце растут до тех пор, пока не станут достаточно большими, чтобы покинуть кольцо за счет газовой миграции. После этого они перестают расти, что объясняет, почему в процессе образуются тела одинакового размера.
В своей новой работе Батыгин и Морбиделли предполагают, что механизм формирования планет вокруг звезд во многом одинаков. В случае планет крупномасштабная концентрация твердого каменистого материала происходит в узкой полосе диска, называемой линией сублимации силиката — области, где пары силиката конденсируются и образуют твердые каменистые гальки. «Если вы пылинка, вы чувствуете значительный встречный ветер в диске, потому что газ движется по орбите немного медленнее, а вы двигаетесь по спирали к звезде; но если вы в частичка пара, вы просто движетесь наружу вместе с газом в расширяющемся диске. Так что в точке, где вы переходите из пара в твердое вещество, накапливается материя», — говорит Батыгин.
Новая теория идентифицирует эту полосу как вероятное местонахождение «фабрики планет», которая со временем может произвести несколько скалистых планет одинакового размера. Когда планеты достигнут достаточной массы, их взаимодействие с диском притянет их ближе к звезде.
Теория Батыгина и Морбиделли опирается на обширное компьютерное моделирование.
Ранее в научной среде предполагалось, что твердое вещество рассеяно по протопланетным дискам. По словам Батыгина, отбрасывая это предположение и вместо этого предполагая, что первые твердые тела формируются в виде колец, новая теория может объяснить различные типы планетарных систем с единой структурой.
Если каменистое кольцо обладает большой массой, то планеты растут до тех пор, пока не удалятся от кольца, что приводит к появлению систем подобных суперземель. Если, с другой стороны, кольцо имеет мало массы, то образуется система, гораздо более похожая на планеты земной группы нашей Солнечной системы.
Источник: Nature