С чем связано разнообразие сверхземель? Из чего состоят планеты? Что можно сказать о планете, наблюдая ее миграцию по звездному диску? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Когда люди мечтали открыть экзопланеты, то, конечно же, думали, что найдут планеты, похожие на те, которые мы видим в Солнечной системе. В Солнечной системе есть три основных типа планет. Это маленькие железно-каменные планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, — и четыре большие планеты, четыре гиганта: Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами, Уран и Нептун — ледяными гигантами. Но оказалось, что многообразие планет гораздо шире. И одним из самых интересных типов экзопланет, которые не встречаются в Солнечной системе, но в большом количестве были обнаружены у других звезд, являются сверхземли.

Сверхземли — это обобщающее название для большой группы планет, которые по своим массам находятся примерно между Землей и Нептуном. Здесь нужно вспомнить важную вещь. Есть два основных метода обнаружения экзопланет: одним методом мы измеряем массу и орбитальный период, другим методом мы измеряем размер и орбитальный период. Поэтому иногда сверхземли определяют в терминах масс, иногда в терминах радиусов, но, к счастью, для части планет у нас есть и измерение массы, и измерение радиуса, и тогда мы можем сказать гораздо больше.

С этой точки зрения удобнее пользоваться массами и удобнее сказать, что, несмотря на то что массы планет меняются несильно, раз в 10, сверхземли — это планеты, которые в несколько раз тяжелее Земли, но радиусы у них меняются тоже раз в 10. Это довольно нетипично. Если вы поставите в ряд несколько гирь, начиная с нескольких килограммов и кончая двухпудовой гирей, размеры у них меняются несильно. И это общее свойство, поскольку вы в 2 раза всего лишь меняете радиус, при той же плотности вы получаете в 8 раз бо́льшую массу.

Рекомендуем по этой теме:
КУРС
Экзопланеты
13 материалов

Жизнь устроена еще сложнее. Если мы действительно делаем планеты, они сами на себя сильно давят, у них повышается центральная плотность, и тем самым повышается средняя плотность. То есть, увеличив радиус планеты в 2 раза, при том же составе мы массу чаще всего увеличиваем в 10 раз и иногда даже больше — зависит уже от деталей. У сверхземель тем не менее раз в 10 меняется масса и раз в 10 меняются радиусы. Это означает, что они очень разнообразные, у них очень разные средние плотности и, соответственно, очень разный состав.

Давайте вспомним, из чего могут состоять планеты. С одной стороны, выбор невелик — планеты не могут состоять из зеленого сыра, например. Тем не менее некое многообразие есть. Можно выделить три основных слоя в планете. Это твердое ядро — тяжелое образование, которое может быть железным, железно-каменным, каменным, но это нечто качественно похожее на Землю.

Вторая составляющая — это лед, в основном водяной лед, но лед по своим свойствам отличающийся от того, который намерзает в холодильнике, по той простой причине, что в экзопланетах он существует при высоком давлении, высокой плотности, и тогда меняется его структура. Но все равно это водяной лед, и если вы его растопите, то вы получите в основном воду.

И третий слой, который может существовать у экзопланет, — это атмосфера. Часто, говоря об атмосфере, мы представляем себе земную атмосферу. Она у нас довольно тоненькая и довольно дохленькая, она гораздо легче всей остальной планеты и гораздо тоньше. Если мы смотрим на Землю издалека, мы можем увидеть тонкую голубую полоску вокруг Земли, выглядит очень красиво, но видим мы, конечно, Землю. Можно посмотреть на Марс: у него атмосферы, строго говоря, вообще не видно издалека, она очень разрежена. Даже если мы посмотрим на Венеру — у нее плотная атмосфера, поэтому мы не видим поверхность, и все данные о поверхности Венеры — это или данные радаров, которые сканировали, и им облака не мешают, или данные посадочных аппаратов, которые сели под этот плотный слой облаков. Тем не менее атмосфера у Венеры все равно достаточно тонкая, большого вклада в массу и в радиус планеты не вносит.

У больших планет в Солнечной системе ситуация иная, и там можно говорить о толстых газовых оболочках, но можно все равно называть атмосферами. Просто здесь количество перешло в качество, это важная составляющая планеты. Оказалось, что у сверхземель встречается огромное разнообразие комбинаций этих параметров. И можно пытаться обнаружить какие-то закономерности. Несмотря на то, что есть планеты в 2–3 раза тяжелее Земли, большие и маленькие, планеты в 8–9 раз тяжелее Земли, большие и маленькие, в среднем намечается очень интересная зависимость: планеты примерно до 4 масс Земли качественно в среднем похожи на Землю в том смысле, что это мощное ядро — может быть каким-то ледяным слоем, но все равно твердое образование — и небольшие оболочки, небольшие атмосферы.

Масса оболочки, размер планеты — все в основном определяется размером ядра.

Когда мы рассматриваем более тяжелые планеты, тяжелее 4 масс Земли, то там тоже могут встречаться сверхземли с небольшими оболочками, но в среднем именно оболочки начинают доминировать, и это, с одной стороны, облегчает изучение этих оболочек, с другой стороны, затрудняет изучение их ядер. Ведь что мы сейчас можем наблюдать? В крайне редких случаях мы можем что-то узнать об атмосфере планеты, даже сверхземли, но в основном мы измеряем массы и радиусы. Плюс у нас есть орбитальный период, свойства звезды, это помогает понять, сколько энергии приходит от звезды к экзопланете, как нагревается ее атмосфера, как из-за этого могут меняться ее свойства.

Но, имея массу и радиус, довольно трудно восстановить внутреннее строение планеты, особенно, как оказывается, если у нее есть мощная оболочка. Потому что массивные ядра обладают тем свойством, что, становясь все более тяжелыми, они свой размер меняют совсем незначительно, растет в основном плотность в центре, и у самых массивных сверхземель, если они имеют большое железное ядро, плотность может приближаться к 100 граммам в кубическом сантиметре — это много. На Земле самые плотные металлы при нормальных условиях имеют плотность меньше 40 граммов в кубическом сантиметре. И в итоге масса планеты растет, а радиус растет только за счет оболочки, и очень трудно сказать, из чего состоит ядро. А нам это интересно, поскольку многим интересно исследовать именно ледяной слой сверхземель, поскольку это связано со всякими интересными процессами, связанными с образованием этих объектов, с историей их формирования.

Сверхземли наблюдают на разных расстояниях от звезды: поближе, подальше. Конечно, проще открывать планеты, которые находятся близко от своих звезд, тем не менее наблюдения ведутся уже достаточно долго, планеты эти достаточно тяжелые, и мы их видим на больших расстояниях. Но модели образования все-таки говорят, что в основном они образуются достаточно далеко, на расстоянии нескольких астрономических единиц от своих звезд, и потом мигрируют по диску ближе к звезде. Это довольно интересный процесс, который, с одной стороны, плохо изучен теоретически, он действительно очень сложный, там идет игра большого количества параметров. С другой стороны, у нас пока не так много наблюдений протопланетных дисков, дисков в процессе образования планет.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
6009 1
Образование планетных систем

Поэтому крайне интересно понять, как наблюдаемые свойства разных планет связаны с историей их образования, чтобы построить некую единую картину. И может быть, сверхземли как раз играют здесь очень важную роль. Во-первых, потому что их действительно много. Оценки показывают, что, возможно, это один из двух или самый обильный тип экзопланет в нашей Галактике, что, скорее всего, означает — и во всей Вселенной. С другой стороны, экзопланеты, обладая большим разнообразием свойств, могут отражать очень разные истории образования и разную географию образования, появляясь в разных частях диска и потом по-разному мигрируя в нем. Поэтому, хотя нам хочется двигаться к изучению объектов, подобных нашей Земле, может быть, в ближайшие годы изучение сверхземель будет приносить наиболее интересные научные результаты.

Обсуждая внутренний состав сверхземель, люди в первую очередь пользуются теоретическими моделями и наблюдательными диаграммами «масса — радиус». И занимая очень большое пространство на диаграмме «масса — радиус», с одной стороны, сверхземли позволяют легко объяснять многие объекты существующими моделями, а с другой стороны, такой большой разброс параметров ставит очень интересные загадки.

Например, одни из самых загадочных планет относятся к классу сверхземель.

Это очень рыхлые планеты, при массе в несколько масс Земли их радиус приближается к 10 радиусам Земли, то есть у них фантастически низкая средняя плотность. Это означает, что делать их нужно в основном из газа, то есть там есть какое-то маленькое ядрышко в середине, но в основном это мощная оболочка, скорее всего, оболочка водородная. Это очень интересно, поскольку довольно трудно сделать такой легкий объект целиком газовым, гораздо проще — и мы видим множество примеров — сделать большую газовую планету, такую как Юпитер — немного побольше или немножко поменьше. А сделать рыхлую планету с массой, лишь немного превосходящей массу Земли, довольно сложно.

Для развития науки всегда очень важно находить какие-то необычные пекулярные примеры, поскольку они ставят интересные задачи, мотивируют теоретиков к придумыванию интересных сценариев и позволяют продвинуться дальше в самой главной задаче — изучении природы.