Художник изобразил экзопланету размером меньше, чем Нептун. Новое исследование предполагает причину, по которой такие планеты редко становятся больше Нептуна: магматические океаны планеты начинают пожирать небо.
Предоставлено: NASA/ESA/G. Bacon (STScI)/L. Kreidberg & J. Bean (U. Chicago)/H. Knutson (Caltech)
В течение многих лет, насколько нам было известно, наша Солнечная система была единственной во Вселенной. Затем более совершенные телескопы начали обнаруживать сокровищницу планет, вращающихся вокруг далеких звезд.
В 2014 году космический телескоп НАСА «Кеплер» предоставил ученым настоящий шведский стол из более чем 700 совершенно новых далеких экзопланет для изучения — многие из них не похожи на ранее известные. По сравнению с газовыми гигантами вроде Юпитера, которые были первыми замечены более ранними исследованиями, потому что их легче увидеть, эти планеты в основном были скалистые и меньшими по размеру.
Ученые заметили, что существует множество таких планет размером с Землю или немного больше нее, но перед тем, как планеты достигнут размеров Нептуна, происходит крутой сброс. «Мы ломаем голову над тем, почему планеты обычно перестают расти примерно больше трех размеров Земли», — сказал планетолог Чикагского университета Эдвин Кайт.
В статье, опубликованной 17 декабря в Astrophysical Journal Letters Э.Кайт и его коллеги из Вашингтонского университета, Стэнфордского университета и Университета штата Пенсильвания предлагают новаторское объяснение этого сброса: океаны магмы на поверхности этих планет легко поглощают их атмосферу, как только планеты достигнут примерно трехкратного размера Земли.
Э.Кайт, который изучает историю Марса и климаты других миров, был хорошо подготовлен к изучению этого вопроса. Он полагал, что ответ может зависеть от какого-либо малоизученного аспекта таких экзопланет. Считается, что на большинстве планет, чуть меньших по размеру, чем размеры сброса, есть океаны магмы — огромные моря расплавленной породы, подобные тем, что когда-то покрывали Землю. Но вместо того, чтобы затвердеть, как у нас, они остаются горячими под толстым слоем богатой водородом атмосферы.
«До сих пор почти все модели, которые у нас есть, игнорируют наличие магмы, рассматривая ее как химически инертную, но жидкая порода почти настолько же жидка, как вода, и химически активна", — сказал Э.Кайт.
Э.Кайт и его коллеги рассматривали вопрос о том, может ли океан начать «пожирать» небо по мере того, как планеты накапливают больше водорода. В этом сценарии, когда планета приобретает больше газа, он накапливается в атмосфере, и давление на дне атмосфера, где она встречается с магмой, начинает расти. Сначала магма поглощает добавленный газ с постоянной скоростью, но по мере повышения давления водород начинает гораздо легче растворяться в магме.
«Не только это, но и небольшая часть добавленного газа, который остается в атмосфере, повышает атмосферное давление, и таким образом еще большая часть поступающего позже газа растворится в магме», — сказал Э.Кайт.
Таким образом, рост планеты замедляется еще до того, как она достигает размеров Нептуна. (Поскольку большую часть объема этих планет составляет атмосфера, то при сжатии атмосферы сжимаются и планеты.)
Авторы называют это «кризис летучести», термин, который измеряет, насколько легче газ растворяется в смеси, по сравнению с результатами, основанными на давлении.
Эта теория хорошо согласуется с существующими наблюдениями, сказал Э.Кайт. Есть также несколько маркеров, которые астрономы могли бы искать в будущем. Например, если теория верна, планеты с магматическими океанами, которые достаточно холодны, чтобы кристаллизоваться на поверхности, должны иметь разные профили, поскольку это помешает океану поглощать так много водорода. Текущие и будущие исследования с помощью TESS и других телескопов должны дать астрономам больше данных для работы.
«В нашей Солнечной системе нет ничего подобного этим мирам», — сказал Э.Кайт. «Хотя наша работа предлагает решение одной из загадок, поставленных суб-Нептуновыми экзопланетами, нам все еще есть над чем работать!»
Больше статей читайте на моём телеграм-канале Quant
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!