Внутреннее строение экзопланет

Шелдон Купер презрительно называл геологов грязекопателями. Интересно, что он думает по поводу людей, которые изучают недра экзопланет. Недра экзопланет — это действительно довольно интересная тема исследований хотя бы потому, что мы совершенно не представляем, как туда заглянуть. Даже про Землю мы знаем недостаточно много, чтобы уверенно рассуждать в деталях о том, как она устроена внутри.

Дальше идут тела Солнечной системы. Скажем, Венера вроде бы по своим параметрам похожа на Землю. Если бы мы наблюдали ее как экзопланету, мы бы сказали: ага, мы открыли очередную планету земного типа. Но внутреннее строение Венеры уже существенно отличается от внутреннего строения Земли. По всей видимости, на Венере по какой-то причине нет тектоники плит. Еще меньше мы знаем о других телах Солнечной системы.

Сложности связаны, во-первых, с тем, что у нас просто недостаточно данных, а во-вторых, с действительно сложной физикой — даже если мы говорим о Земле. Дело в том, что вещество в недрах экзопланет оказывается в довольно экзотических состояниях — не в таких удивительных, как внутри нейтронных звезд, но тем не менее. Мы недостаточно хорошо знаем, как ведет себя вещество при таких плотностях.

Даже если мы говорим о массивных планетах, где основным ингредиентом является водород, самый первый, самый простой элемент таблицы Менделеева — даже для него поведение в большом диапазоне плотностей и температур (а внутри таких больших тел, как планеты, не только давление велико, но и температуры достаточно велики) мы не знаем. То есть даже для водорода построить такие зависимости оказывается достаточно сложно.

Как люди пытаются это делать? Как пытаются определить уравнение состояния вещества?

Идеальный способ — это, конечно же, эксперименты. Они проводятся очень интересно. Например, можно брать алмазные наковальни, между ними помещать кусочек исследуемого вещества, сжимать это вещество, сжимать наковальни, оказывать большое давление на вещество между ними, нагревать. Нагревать можно разными способами, но если нас интересуют высокие температуры в недрах Земли, то нагревать нужно лазерами. Тогда можно уйти за температуру 1300 К. И этого тем не менее оказывается недостаточно даже для того, чтобы изучить, что же происходит в самом центре Земли.

В экзопланетах диапазон параметров может быть еще больше, еще интереснее, и ингредиенты там могут быть более разнообразными, чем на Земле. Поэтому с точки зрения физики это интересная проблематика — исследование того, как могут быть устроены экзопланеты.

С точки зрения наблюдений все обстоит не очень благополучно. Сейчас, изучая экзопланеты, мы, по сути, можем измерять только их массы и радиусы. И то мы говорим, что нам очень повезло, если для какой-нибудь экзопланеты мы одновременно измерили и массу, и радиус с достаточно высокой точностью.

Третьим параметром, который очень важен для экзопланет, является то, насколько близко планета находится от звезды и сколько излучает сама звезда. Или — можно это переформулировать — чтобы параметр был один: каков поток излучения, который падает от звезды на планету, насколько звезда планету греет. Все это поможет нам представить, как могут быть устроены недра экзопланет.

Для экзопланет мы не можем — да и нет смысла — строить очень детальные модели, но достаточно простые модели помогают достаточно хорошо для основной массы экзопланет связать массу и радиус. Скажем, для планет земного типа люди строят модели, где планеты состоят всего лишь из восьми элементов, и в среднем зависимость массы и радиуса, то, что получается в наблюдениях, удается неплохо прописать. Наблюдаемые точки достаточно близко ложатся от теоретических кривых. Конечно, мы еще можем немного варьировать состав.

К счастью или к сожалению, но масса и радиус экзопланет зависят не только от их состава, не только от того, из чего они «сделаны».

Хотя даже здесь, поставив точку на диаграмме «масса — радиус», мы можем использовать разные модели, чтобы описать один-единственный объект. Кроме состава нам важно, насколько планета греется и каков возраст планеты. Поскольку если мы говорим о крупных планетах, то они довольно долго приходят в устойчивое состояние, пока они немного подожмутся. И в процессе поджатия выделяется энергия, которая дополнительно разогревает недра планеты. Все это нужно учитывать, и все это люди пытаются учитывать, когда объясняют данные по наблюдаемым экзопланетам, используя, повторюсь, для этого в основном плоскость «масса — радиус».

Данные наблюдения показывают, что зоопарк экзопланет достаточно разнообразен. Но в среднем все можно свести к трем основным типам экзопланет, которые имеют прототипы в Солнечной системе. Во-первых, это гигантские планеты, такие как Юпитер и Сатурн, — планеты, которые в основном являются газовыми, поэтому их называют газовыми гигантами.

Во-вторых, и, видимо, это самый многочисленный тип планет — это планеты типа Урана и Нептуна, которые, с одной стороны, тоже гиганты, но сильно отличаются от Юпитера и Сатурна. Их называют ледяными гигантами, поскольку основной объем планеты сформирован льдами разного типа.

И, наконец, третий тип планет — это планеты типа Земли, то есть каменные планеты. Здесь тоже может быть большое многообразие, которое мы видим прямо в Солнечной системе. Есть, например, маленький Меркурий, есть достаточно большая Земля, которая обладает уже более интересной геологией со всякой интересной тектоникой, которую мы не видим ни на Меркурии, ни на Венере, ни по большому счету на Марсе.

Все остальные планеты более или менее можно вписать в эту классификацию по той простой причине, что, когда говорят о недрах планет, выделяют три основных слоя, которые могут формировать структуру планеты: во-первых, это твердое ядро, которое может состоять из какой-то смеси минералов и железа; во-вторых, это ледяной слой; в-третьих, это мощная газовая оболочка.

Глядя на планеты Солнечной системы, можно наивно сказать, что общим правилом является то, что маленькие планеты — это в основном планеты каменные, планеты побольше, раз в 10, скажем, тяжелее Земли, — это ледяные гиганты. И наконец, самые большие планеты с массой порядка массы Сатурна и Юпитера — это газовые гиганты.

На самом деле жизнь устроена гораздо сложнее. Потому что важно, где и как планета образовывалась, как она мигрировала по своей планетной системе и что с ней происходило, когда она уже заняла достаточно стационарную орбиту.

Даже если мы начнем говорить об очень маленьких планетах, которые всего лишь в несколько раз тяжелее Земли, то там мы увидим большое разнообразие. Такие планеты, в несколько раз тяжелее Земли, называют суперземли. Оказывается, что планеты примерно до 4 масс Земли все-таки в среднем (хотя есть интересные исключения) — это каменные планеты без больших внешних ледяных или газовых оболочек. И мы прямо видим, что масса планеты растет и растет ее плотность. Так и должно быть.

Но выше 4 масс Земли зависимость становится обратной: чем больше размер и масса планеты, тем меньше оказывается в среднем ее плотность. Опять-таки это говорит о том, что планета, начиная с этой критической массы, начинает прирастать уже за счет газовой оболочки, которая вносит большой вклад в видимый размер планеты, но вносит очень маленький вклад в массу и, соответственно, приводит к более низкой средней плотности.

Но отскоки от этого среднего поведения в области сверхземель очень велики. И здесь действительно еще очень много неясного. Если мы говорим о самых тяжелых планетах, то там интересное поведение может быть связано с частичной потерей оболочки, мы видим планеты, которые подошли слишком близко к своим звездам. Их газовые оболочки расширились. И они начинают истекать, планеты теряют эту оболочку, временно она выглядит очень разбухшей, но судьба этой планеты довольно интересна: она потеряет свою газовую оболочку, при этом масса изменится не катастрофически, но размер планеты изменится очень сильно, и останется каменное ядро, которое находится в недрах этой планеты.

При этом мы не знаем, всегда ли сочетаются в крупных планетах эти три возможных слоя: твердое ядро, ледяная оболочка и мощная газовая оболочка.

Комбинируя три этих составляющих, в принципе удается описать практически все разнообразие наблюдаемых экзопланет, но при этом у нас нет какого-то хорошего понимания из первых принципов, обязательно ли у крупных планет есть твердые ядра, какие типичные массы этих твердых ядер, если они достаточно распределены, и, возможно, как все это меняется в процессе миграции планеты, в процессе ее эволюции.

Конечно, всегда существуют объекты, которые не укладываются в классификацию. Есть большие планеты с очень высокой средней плотностью. Представьте планету, по массе в несколько раз большую Юпитера, а ее средняя плотность больше, чем у стали. Это, конечно, не означает, что это стальная планета, это все-таки газовый гигант, внутри у которого есть достаточно большое, достаточно массивное плотное ядро, плотность в центре которого действительно очень велика и может составлять 10 г/см3.

И наоборот, наблюдаются загадочные очень рыхлые планеты с очень низкой средней плотностью, раз в 20 меньше плотности воды. И их, наверное, сейчас объяснить труднее всего. Поэтому пока нам не хватает ни наблюдений, ни теоретического понимания для полной картины, которая бы описывала, как устроены планеты внутри и как все это многообразие формировалось и развивалось.