Представили единую теорию образования каменистых экзопланет
Новая теория формирования каменистых планет может объяснить происхождение так называемых «суперземель» — класса экзопланет, в несколько раз более массивных, чем Земля, которые являются наиболее распространенным типом планет в галактике. Кроме того, это может объяснить, почему суперземли в пределах одной планетной системы часто оказываются странно похожими по размеру, как будто каждая система способна производить планеты только одного типа.
«Поскольку наши наблюдения за экзопланетами расширились за последнее десятилетие, стало ясно, что стандартная теория образования планет нуждается в пересмотре, начиная с основ. Нам нужна теория, которая может одновременно объяснить формирование планет земной группы в нашей Солнечной системы, а также происхождение самоподобных систем суперземель, многие из которых кажутся скалистыми по составу», — говорит профессор планетологии Калифорнийского технологического института Константин Батыгин, который сотрудничал с Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного Берега в Франция о новой теории. Статья, объясняющая их работу, была опубликована журналом Nature Astronomy 12 января. Планетарные системы начинают свой жизненный цикл как большие вращающиеся диски из газа и пыли, которые объединяются в течение нескольких миллионов лет или около того. Большая часть газа аккрецируется в звезду в центре системы, в то время как твердый материал медленно объединяется в астероиды, кометы, планеты и луны.
В нашей Солнечной системе есть два различных типа планет: меньшие твердые внутренние планеты, расположенные ближе всего к Солнцу, и более крупные внешние газовые гиганты, богатые водой и водородом, которые находятся дальше от Солнца. В более раннем исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy в конце 2021 года, эта дихотомия привела Морбиделли, Батыгина и их коллег к предположению, что формирование планет в нашей Солнечной системе происходило в двух отдельных кольцах протопланетного диска: во внутреннем, где маленькие каменистые планеты сформировалась и внешняя для более массивных ледяных планет (две из которых — Юпитер и Сатурн — позже превратились в газовых гигантов).
Суперземли, как следует из названия, массивнее Земли. У некоторых даже есть водородная атмосфера, из-за чего они кажутся почти газовыми гигантами. Более того, их часто обнаруживают на орбитах вблизи своих звезд, что позволяет предположить, что они мигрировали к своему нынешнему местоположению с более далеких орбит. «Несколько лет назад мы построили модель, в которой суперземли сформировались в ледяной части протопланетного диска и мигрировали на всем пути к внутреннему краю диска, вблизи звезды», — говорит Морбиделли. «Модель могла объяснить массы и орбиты суперземель, но предсказывала, что все они богаты водой. Однако недавние наблюдения показали, что большинство суперземель каменистые, как Земля, даже если они окружены водородной атмосферой. был смертным приговором для нашей старой модели».
За последние пять лет история стала еще более странной, поскольку ученые — включая команду под руководством Эндрю Ховарда, профессора астрономии Калифорнийского технологического института; Лорен Вайс, доцент Университета Нотр-Дам; и Эрик Петигура, бывший научный сотрудник Сагана в области астрономии в Калифорнийском технологическом институте, а ныне профессор Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе, изучили эти экзопланеты и сделали необычное открытие: хотя существует большое разнообразие типов суперземель, все суперземли внутри единая планетная система имеет тенденцию быть похожей с точки зрения расстояния между орбитами, размера, массы и других ключевых характеристик.
«Лорен обнаружила, что в пределах одной планетной системы суперземли похожи на «горох в стручке», — говорит Ховард, который не имел прямого отношения к работе Батыгина-Морбиделли, но сделал на нее обзор. «По сути, у вас есть фабрика планет, которая знает, как создавать планеты только одной массы, и она просто выпускает их одну за другой». Итак, какой единый процесс мог породить каменистые планеты в нашей Солнечной системе, а также однородные системы каменистых суперземель? «Оказывается, ответ связан с тем, что мы выяснили в 2020 году, но не поняли, что применимо к формированию планет в более широком смысле», — говорит Батыгин.
В статье 2020 года, опубликованной в The Astrophysical Journal, Батыгин и Морбиделли предложили новую теорию образования четырех крупнейших спутников Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). По сути, они продемонстрировали, что для определенного диапазона размеров пылинок сила, тянущая пылинки к Юпитеру, и сила (или увлечение), переносящая эти пылинки в отходящий поток газа, полностью компенсируют друг друга. Этот баланс сил создал кольцо из материала, которое стало прочными строительными блоками для последующего формирования лун. Кроме того, теория предполагает, что тела будут расти в кольце, пока не станут достаточно большими, чтобы покинуть кольцо из-за миграции, вызванной газом. После этого они перестают расти, что объясняет, почему в процессе образуются тела одинаковых размеров.
В своей новой статье Батыгин и Морбиделли предполагают, что механизм формирования планет вокруг звезд во многом одинаков. В планетарном случае крупномасштабная концентрация твердого скального материала происходит в узкой полосе диска, называемой линией сублимации силиката, — области, где пары силиката конденсируются, образуя твердые каменистые гальки. «Если вы пылинка, вы чувствуете значительный встречный ветер в диске, потому что газ движется по орбите немного медленнее, и вы по спирали приближаетесь к звезде; газ в расширяющемся диске. Так что место, где вы превращаетесь из пара в твердое тело, — это место, где скапливается материал», — говорит Батыгин.
Новая теория идентифицирует эту полосу как вероятное место для «фабрики планет», которая со временем может произвести несколько каменистых планет одинакового размера. Более того, по мере того, как планеты становятся достаточно массивными, их взаимодействие с диском будет притягивать эти миры внутрь, ближе к звезде. Теория Батыгина и Морбиделли подкреплена обширным компьютерным моделированием, но началась с простого вопроса. «Мы посмотрели на существующую модель формирования планет, зная, что она не воспроизводит то, что мы видим, и спросили: «Какое утверждение мы принимаем как должное?» — говорит Батыгин. «Фокус в том, чтобы смотреть на то, что все считают правдой, но без веской причины».
При этом предполагалось, что твердое вещество рассеяно по протопланетным дискам. По словам Батыгина, отбросив это предположение и вместо этого предполагая, что первые твердые тела формируются в виде колец, новая теория может объяснить различные типы планетарных систем с помощью единой структуры. Если каменистое кольцо содержит много массы, планеты растут до тех пор, пока не мигрируют прочь от кольца, в результате чего образуется система подобных суперземель. Если кольцо имеет небольшую массу, оно образует систему, которая больше похожа на планеты земной группы нашей Солнечной системы. «Я наблюдатель и изготовитель приборов, но очень внимательно отношусь к литературе, — говорит Ховард. «Мы регулярно получаем небольшую, но все же важную информацию. Но каждые пять лет или около того кто-то публикует что-то, что вызывает сейсмический сдвиг в этой области. Это одна из таких статей».
