Обычно, чем массивнее звезда, тем больше средний радиус ее планет. До недавнего времени причины этого явления оставались не совсем понятными. В настоящее время астрономы продемонстрировали, что сложившуюся ситуацию нельзя свести исключительно к большей массе планет у массивных звезд: ключевым фактором оказалась совершенно иная причина.
Из более чем 4400 потенциальных экзопланет большинство было выявлено у красных карликов – звёзд с небольшой массой и размерами. Планеты, вращающиеся вокруг звёзд большей массы, таких как оранжевые карлики (например, альфа Центавра B) или жёлтые карлики, подобные нашему Солнцу, в среднем имеют больший размер. В новой работе, которая готовится к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, международная группа учёных объяснила причину этой тенденции. Оказалось, что это связано не только с массой, но и с иным химическим составом планет у звёзд большей массы. С текстом соответствующей статьи можно ознакомиться на сервере препринтов arXiv.org.
Существуют различные факторы, определяющие больший радиус планет у звезд большей массы по сравнению со звездами меньшей массы. На данный момент в научных публикациях рассматриваются три вероятных объяснения. Прежде всего, более крупные звезды характеризуются повышенной светимостью, что могло приводить к расширению газовых оболочек планет из-за теплового воздействия. Во-вторых, планеты, формирующиеся вокруг массивных звезд, могли возникать из более протяженных протопланетных дисков и обладать большей средней массой. В-третьих, экзопланеты, вращающиеся вокруг массивных звезд, могли содержать больше легких газов, что приводило бы к уменьшению их средней плотности и увеличению размеров, даже при обычной массе.
Авторы исследования приняли решение проверить все три гипотезы. Для этого они сформулировали три предсказания, точность которых зависела от каждого из рассмотренных вариантов. В случае, если верным окажется первое объяснение, связанное с расширением атмосфер вследствие нагрева, то рассчитанная температура планет у более массивных звезд должна возрастать пропорционально увеличению радиуса таких планет (поскольку они «расширяются» из-за нагрева). Если же верно второе объяснение – то есть вокруг массивных звезд и планеты формируются более массивными, – то масса экзопланеты должна коррелировать с ее радиусом, причем эта взаимосвязь должна быть достаточно линейной и предсказуемой. Проверка третьего объяснения представляет наибольшую сложность, поскольку определение состава экзопланеты является непростой задачей. Однако, если планета с умеренной массой и расчетной температурой характеризуется очень большим радиусом, то это указывает на более высокое содержание легких элементов по сравнению с планетами у менее массивных звезд.
Анализы, проведенные с использованием вычислений, продемонстрировали, что у планет, вращающихся вокруг звезд с меньшей массой, наблюдается меньшая концентрация легких элементов, в частности гелия и водорода. Именно этим можно объяснить наблюдаемые у них радиусы при известной массе. Массу экзопланет можно определить методом лучевых скоростей. В ходе исследования астрономы в этот раз сделали акцент на планетах, вращающихся вокруг оранжевых и желтых карликов. Это было связано с тем, что о красных карликах уже известно гораздо больше планет, и их анализ был бы более сложным. Тем не менее, ученые подчеркивают, что полученные результаты, вероятно, применимы и к экзопланетам в системах с красными карликами. В связи с этим, по мнению исследователей, вероятность обнаружения планет, схожих с Землей, у менее массивных звезд выше, а количество газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн в нашей Солнечной системе, значительно меньше. Это, в свою очередь, позволяет предположить, что шансы на развитие жизни, аналогичной земной, у таких звезд могут быть больше, чем у более массивных, подобных нашему Солнцу.
По мнению ученых, обнаруженная ими тенденция не действует в отношении звезд, превышающих массу желтых карликов, таких как бело-желтые звезды спектрального класса F. Это объясняется тем, что они обладают высокой светимостью и способны в короткие промежутки времени практически полностью удалить газовую оболочку (состоящую из водорода и гелия) с планет, вращающихся вокруг них.
Причины, по которым у планет, вращающихся вокруг более массивных звезд, наблюдается избыток водорода и гелия, остаются не до конца выяснены, и детали формирования планет всё ещё вызывают вопросы у астрономов. Однако, известно, что в нашей Солнечной системе газовые гиганты, содержащие водород и гелий в атмосфере, сформировались на ранних этапах, после чего появились планеты, подобные Земле — Меркурий, Венера, Земля и Марс. К тому же, гравитационное воздействие массивного Юпитера, расположенного близко к орбите Марса, не позволило Красной планете приобрести значительную массу, что, в свою очередь, повлияло на формирование её плотной атмосферы и потенциально высокую пригодность для жизни.