Кеплер» и TESS значительно увеличили наши знания о разнообразии планет, расположенных за пределами Солнечной системы. Данные, полученные с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» и наземными обсерваториями, постоянно обогащают эти сведения, однако существует нерешенная проблема. Анализ более чем пяти с половиной тысяч подтвержденных экзопланет выявил выраженный дефицит в распределении их размеров в диапазоне, близком к двум радиусам Земли.
Астрофизики и астрономы давно, более 40 лет назад, предвидели эту аномалию, основываясь на вероятности перемещения планет в планетной системе. Согласно этой идее, мини-нептуны (газовые карлики), ледяные гиганты (планеты, подобные Урану и Нептуну) и суперземли (каменистые планеты с радиусом от 1,2 до 2 земных радиусов) теряют массу, приближаясь к своей звезде. Тем не менее, эта теория имеет ряд недостатков. В частности, она не позволяет достаточно точно прогнозировать реальную картину в нашей и других известных планетных системах на основе компьютерного моделирования.
Группа ученых из Института астрономии Общества Макса Планка ( MPIA) уже несколько лет ученые работают над совершенствованием моделей, объясняющих эволюцию планетных систем. Их предыдущее исследование, проведенное в 2020 году, значительно сблизило результаты симуляции с реальными данными.
Теперь исследователи предприняли еще один значительный шаг, включив в расчеты изменения состояния молекулярной воды в различных условиях. Этот подход оказался весьма эффективным: симуляция продемонстрировала распределение размеров экзопланет, которое существенно соответствует реальным наблюдениям.
Новая научная работа опубликована в рецензируемом журнале Nature Astronomy, ее текст находится в открытом доступе. Авторы предложили следующее объяснение феномена «дефицита суперземель».
Мини-Нептуны, подобно своим более крупным ледяным гигантам, возникают во внешней области протопланетного диска. Именно там сосредоточено основное количество вещества, которое астрофизики обозначают как лед – все соединения, имеющие температуру замерзания выше 100 кельвин, включая воду, аммиак и метан. Со временем гравитационные колебания, вызванные более массивными планетами, могут спровоцировать миграцию тел, радиус которых составляет от полутора до четырех земных.
По мере приближения мини-Нептуна к своей звезде, его разреженная атмосфера, состоящая из гелия и водорода, начинает активно теряться из-за воздействия звездного излучения. Ранее уже были сделаны прогнозы относительно этого явления. Однако, новое открытие, представленное в недавней научной работе, касается влияния нагрева «льдов», в частности, воды, на состав экзопланеты. Компьютерное моделирование выявило, что испаряясь, это вещество создает атмосферу, которая значительно более плотная и объемная, чем предполагалось.
В связи с тем, что наши инструменты не обеспечивают возможности раздельного измерения радиуса «твердой» части экзопланеты и толщины ее атмосферы, мини-нептуны представляются земным наблюдателям значительно больше. В симуляции их размеры, как правило, составляют около 2,4 радиуса Земли, что соответствует данным, полученным в ходе наблюдений. Иными словами, при сближении с центральным светилом газовые карлики теряют некоторое количество вещества, но при этом заметно увеличиваются в объеме.
Суперземли демонстрируют несколько иную динамику. Каменистые планеты формируются вблизи звезды, и даже при накоплении значительного количества легких элементов большая их часть со временем рассеивается под воздействием излучения. Сохранить большой размер им удается лишь при формировании на значительном расстоянии от звезды, что является довольно редким явлением. Если же каменистая экзопланета изначально или в результате миграции оказывается ближе к звезде, она стремительно теряет свою массу».
Исследователи из MPIA не считают свою улучшенную модель совершенной — в ней по-прежнему много неточностей. В частности, именно для суперземель симуляция показала наибольшее расхождение с данными наблюдений. И это намекает на дальнейшее направление работы ученых.
Несмотря на это, полученные данные позволяют глубже понять эволюцию планетных систем. Особенно заметно, что включение в модели более детального описания поведения вещества, даже при рассмотрении мельчайших масштабов, значительно улучшает качество итогового результата.