Планеты-изгои: почему Земля может быть аномалией во Вселенной

Мы многое узнали о планетах в нашем собственном «заднем дворе», и долгое время мы предполагали, что остальная часть галактики выглядит примерно так же. Каменистая планета означала четкую структуру: плотное металлическое ядро, силикатную мантию и тонкую атмосферу сверху. Эта картина прекрасно работает для Земли.

Но согласно новой статье, поданной в Astrophysical Journal, она может не работать для большинства каменистых планет во Вселенной. Самый распространенный тип планет, которые мы находим вокруг других звезд, относится к классу миров, называемых субнептунами: планеты крупнее Земли, но меньше Нептуна. Их близкие родственники — суперземли — немного меньше и, вероятно, потеряли большую часть своего водорода давным-давно. Классическая версия гласит, что эти планеты формируются примерно так же, как и Земля, просто с разным количеством остаточного газа, накопившегося сверху. Железо опускается в центр, силикатная порода плавает над ним, а водород находится сверху.

Но вот в чем загвоздка

При давлениях и температурах внутри субнептуна водород, силикат и железо на самом деле ведут себя не так, как у поверхности Земли. Выше примерно 4000 градусов Кельвина водород и расплавленный силикат становятся полностью смешиваемыми. Они перестают быть «маслом и водой». Они превращаются в единую жидкость. Авторы нового исследования (поданного в Astrophysical Journal и доступного сейчас на arXiv) выяснили, что это означает для структуры этих планет, и ответ удивителен.

Внутренняя революция

Если планета аккрецирует менее одного процента своей массы в виде водорода, она следует привычному сценарию и формирует обособленное металлическое ядро, как Земля. Но если она захватывает больше водорода, то вся внутренность планеты становится единой, перемешанной, бурлящей жидкостью из железа, силиката и водорода. Никакого ядра. Никакой мантии. Просто однородная смесь на всем пути вплоть до нескольких тысяч километров от центра.

Это значительное расхождение с тем, как мы обычно рисуем эти миры в разрезе. Внутренняя структура определяет, как планета остывает, как она удерживает свою атмосферу и как ее радиус меняется со временем. Авторы обнаруживают, что эта структура смешиваемости может воспроизвести ряд особенностей, которые мы уже наблюдаем в популяции экзопланет и которые старые «слоеные» модели с трудом объясняли.

Одна из таких особенностей — это «разрыв радиусов»: загадочный дефицит планет размером между суперземлями и субнептунами, который зафиксировали телескопы имени Джеймса Уэбба и Кеплер.

Другая особенность — зависимость радиуса планеты от орбитального периода. Обе эти закономерности естественным образом возникают, если предположить, что молодые субнептуны хранят значительную долю своего водорода внутри этой смешиваемой внутренней области, а затем медленно высвобождают его во внешнюю оболочку по мере остывания планеты и сжатия области смешиваемости. Водород буквально выделяется из породы в виде пузырьков на протяжении сотен миллионов лет.

Ключ к проверке

Отсюда вытекает проверяемое следствие, и именно оно превращает эту статью не просто в мысленный эксперимент. Если водород постепенно выделяется из недр в атмосферу, то молодые субнептуны должны сжиматься медленнее, чем предсказывают стандартные модели. Они должны выглядеть немного более «пухлыми», чем должны быть для своего возраста. Мы уже начинаем находить субнептуны вокруг очень молодых звезд (космических «малышей» возрастом всего в десятки миллионов лет), где этот сигнал можно было бы измерить. JWST и следующее поколение обзорных транзитных миссий превратят это в цифры.

Важные оговорки

Оговорки реальны. Модель опирается на теоретические экстраполяции поведения водорода, силиката и железа в условиях, которые мы пока не можем воспроизвести в лаборатории (хотя эксперименты с высоким давлением начинают догонять). Внутренний тепловой баланс этих планет все еще неопределен, и небольшие ошибки в этих параметрах влияют на прогнозы. Кроме того, подход инверсионного моделирования, который используют авторы (начать с наблюдаемой популяции планет и двигаться назад к физике, которая ее породила), по необходимости является статистическим, а не детерминистским.

Заключение: Земля — странная?

Тем не менее, основное утверждение — смелое и четкое. Самый распространенный тип планет в галактике может вообще не походить на Землю по своей внутренней структуре. Привычное понятие планетарного ядра — этого маленького плотного металлического сердца, которое мы принимаем как данность, — может быть исключением, а не правилом там, в космосе. Земля может быть той самой «странной» планетой.