Как рождаются самые маленькие планеты во Вселенной
За последние 10–15 лет астрономы обнаружили целый класс «микропланет» — тел, которые меньше Земли и даже Меркурия. Некоторые из них сопоставимы по размеру с Луной. О том, как и почему образовываются такие планеты, читайте в материале «Рамблера».
Любая планета начинается с протопланетного диска — газо-пылевого «блина» вокруг молодой звезды. В диске пыль слипается, образуя миллиметровые и сантиметровые «галечки», затем — километровые планетезимали, а уже из них вырастают зародыши планет.
Однако дальнейший рост таких зародышей зависит от количества твердого материала, который находится рядом. Если вокруг много пыли и каменистых частиц, зародыш быстро «подбирает» их и растет; если же вещество ограничено, рост почти сразу останавливается. Именно поэтому во внутренних областях диска, ближе к звезде, где температура высока и твердого материала мало, зародыши часто остаются маленькими — им просто не из чего набирать массу. Такой дефицит строительного материала и объясняет происхождение самых крошечных планет: они не разрушенные остатки больших миров, а объекты, которые изначально так и не смогли вырасти до значительных размеров.
Сценарий 1. «Прирожденные карлики»
Один из механизмов появления субземель связан не с тем, что ее конечный размер определяется свойствами звезды и всего диска. Например, у маломассивных красных карликов протопланетные диски обычно в разы легче, чем у звезд солнечного типа. Из-за этого все зарождающиеся планеты получают меньше исходного материала, и система с самого начала формируется как «миниатюрная» — это подтверждают моделирования, опубликованные в 2024 году в журнале MNRAS, где при низкой массе диска формируются сразу несколько небольших каменистых миров. Этот сценарий доказан наблюдениями наблюдениями: обзоры субземель (IPAC) показывают, что самые маленькие планеты чаще всего обнаруживаются именно у звезд малой массы. В таких системах компактные планеты — нормальный конечный результат, а не остатки более крупных тел.
Почему звезды мерцают, а планеты нет
Сценарий 2. Оголенные ядра
Второй механизм, который может объяснять происхождение самых маленьких планет, — фотоиспарение. Если планета вращается слишком близко к звезде, ее атмосфера постоянно подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. В верхних слоях это вызывает сильный нагрев, и газ постепенно уходит в космос. Особенно выражен этот процесс у ультра-короткопериодических планет, совершающих оборот вокруг звезды менее чем за сутки и нагревающихся до 1500–2000 °C. Модели и наблюдения, опубликованные в OUP Academic, показывают, что многие такие объекты представляют собой оголенные ядра более крупных миров, потерявших свои газовые оболочки под действием интенсивного излучения.
При таком сценарии планета могла сформироваться как мини-Нептун, затем мигрировать ближе к звезде и за сотни миллионов лет утратить почти всю атмосферу, в результате чего осталось только плотное железно-каменное ядро. Современные данные подтверждают такой вариант развития событий: у части ультра-короткопериодических планет плотность настолько высока, что наличие даже тонкой атмосферы практически исключено.
Сценарий 3. Коллизионная эрозия
Третий возможный путь формирования маленькой планеты связан с коллизионной эрозией — серией мощных столкновений, которые происходят в ранней истории системы, когда орбиты крупных зародышей пересекаются. Численные модели показывают, что после этапа первоначального роста наступает период гигантских ударов: тела размером с Марс могут не только сливаться, но и терять часть мантии, когда легкие породы выбрасываются в космос, а оставшееся ядро становится меньшим и более плотным.
Для некоторых каменистых экзопланет с аномально высокой плотностью такой механизм рассматривается как одно из правдоподобных объяснений их компактных размеров. Прямых наблюдательных подтверждений пока нет, однако сравнение масс, радиусов и результатов динамического моделирования показывает, что многократные столкновения действительно могут приводить к образованию небольших, «срезанных» миров, сопоставимых по размеру с субземлями.
Самые маленькие известные планеты
Kepler-37b — планета размером меньше Меркурия
Kepler-37b считается одной из самых маленьких обнаруженных планет у звезды солнечного типа. Ее радиус составляет около 0,34 радиуса Земли — это всего на несколько процентов больше радиуса Луны и меньше Меркурия. Она вращается по очень близкой орбите с периодом около 13 дней и получает экстремальное количество излучения, поэтому практически наверняка является сухим, каменистым телом без значимой атмосферы.
Kepler-444 система — мини-планеты древнего возраста
Звезда Kepler-444 удивила исследователей тем, что вокруг нее обращаются пять небольших каменистых миров с радиусами от 0,4 до 0,7 радиуса Земли. Это одна из самых древних известных планетных систем — ее возраст оценивается более чем в 11 миллиардов лет. Все пять планет находятся очень близко к звезде, их орбиты — от трех до десяти суток. Система показывает, что субземли могут формироваться даже в условиях ранней Вселенной, когда количество тяжелых элементов было значительно ниже.
TRAPPIST-1c–h — компактные каменистые миры у ультрахолодного карлика
Хотя большинство планет в системе TRAPPIST-1 по размеру близки к Земле, некоторые — например, TRAPPIST-1d и TRAPPIST-1e — имеют субземные параметры. Их радиусы, массы и плотности были измерены с высокой точностью благодаря транзитам и вариациям времени транзитов. Несмотря на небольшие размеры, это полноценные каменистые миры, причем с высокой вероятностью они формировались из диска, значительно менее массивного, чем солнечный.
Система L 98-59 — «цепочка субземель»
Одна из самых интересных систем последних лет — L 98-59. Несколько планет в этой системе имеют радиус в диапазоне 0,8–1,1 радиуса Земли, а их массы настолько малы, что они устойчиво попадают в категорию субземель. Эта система подтверждает модель, согласно которой у молодых маломассивных звезд протопланетные диски настолько легкие, что вместо нескольких крупных миров формируются «цепочки» маленьких компактных планет.
K2-229 b — сверхплотный мир с «железным» составом
K2-229 b часто упоминают в работах по коллизионной эволюции планет. Ее радиус составляет около 0,7 земного, но масса аномально высока — почти в три раза больше, чем ожидалось для объекта такого размера. Плотность сопоставима с плотностью Меркурия, что указывает на значительное содержание железа. Подобный состав объясняется либо массированным испарением мантии, либо серией гигантских столкновений, которые «сняли» часть внешних слоев.
K2-360 b — подтвержденное оголенное ядро
K2-360 b является одним из наиболее убедительных примеров планеты-ядра. Ее плотность настолько высока, что даже тонкая атмосфера исключена, а масса и радиус идеально совпадают с моделью железно-каменного ядра, лишенного газовой оболочки. Такой объект фактически демонстрирует конечный этап фотоиспарения: мы наблюдаем остаток некогда более крупной планеты.
Таким образом, субземли и оголенные ядра — это «ископаемые» следы эволюции более крупных миров. По их орбитам и плотности можно восстановить, что с ними происходило: они изначально были маленькими или потеряли атмосферу; формировались ли они близко к звезде или мигрировали; переживали ли серию разрушительных столкновений.
В итоге самые маленькие планеты оказываются не второстепенными объектами, а ключевыми элементами пазла. Понимая, как они рождаются и почему остаются маленькими, мы получаем более честную картину того, как устроены и меняются планетные системы во Вселенной.
Ранее мы писали, почему звезды «теряют» планеты.