Используя суперкомпьютерное моделирование, исследователи выяснили, почему количество экзопланет с радиусом примерно 1,8 радиуса Земли остается относительно небольшим, и почему во многих планетных системах наблюдаются планеты схожего размера, находящиеся в орбитальном резонансе. Причиной этого, по мнению ученых, является процесс формирования планетных систем на ранних этапах их развития и последующая миграция планет.
Двумя главными вопросами для ученых, изучающих экзопланеты, являются две неразгаданные загадки. Первая из них связана с тем, что у суперземли и мини-нептунов – планет, радиус которых превышает земной, но не достигает размера Нептуна – наблюдается тенденция к тому, что их радиус составляет приблизительно 1,4 или 2,4 радиуса Земли. Однако планеты с радиусом 1,8 радиуса Земли встречаются крайне редко.
Существование планетных систем, включающих несколько планет схожего размера, находящихся в орбитальном резонансе, представляет собой вторую загадку. Примерами таких систем являются TRAPPIST-1 и Kepler-223.
Специалисты из Университета Райса (США) объяснили это явление с помощью моделирования эволюции планетных систем. Они также продемонстрировали, что модель формирования планет, предусматривающая многочисленные столкновения, способна породить несколько планет примерно одинакового размера. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Для создания модели, охватывающей первые 50 миллионов лет эволюции планетных систем, ученые применили суперкомпьютер. Модель миграции планет предполагает, что протопланетный диск, содержащий газ и пыль и являющийся местом рождения молодых планет, оказывает на них влияние, притягивая их к родительским звездам.
В подобных сценариях нередко возникает орбитальный резонанс – явление, характеризующееся соотношением орбитальных периодов нескольких планет как натуральных чисел. Это приводит к периодическому сближению планет, которые оказываются в определенных позициях на своих орбитах. Однако со временем, в течение нескольких миллионов лет, протопланетный диск рассеивается, что вызывает орбитальную нестабильность и приводит к столкновениям между планетами. В результате этих столкновений планеты теряют свои водородосодержащие атмосферы.
Моделирование указывает на то, что небольшое число планет, радиус которых в 1,8 раза превышает земной, является следствием миграций и столкновений планет после рассеивания протопланетного диска. Системы, сохранившие изначальную структуру и орбитальные резонансы, наблюдаются в настоящее время. В качестве примера можно привести звезду TRAPPIST-1, вокруг которой вращаются семь планет, находящихся в резонансе.
Считается, что столкновения молодых планет, подобные тому, что привело к образованию Луны, — распространенное явление в процессе формирования планет. В своей научной работе ученые также выдвинули несколько предположений, которые можно будет подтвердить или опровергнуть с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба. В частности, они считают, что фрагменты планет, примерно вдвое превышающие по размеру Землю, могли сохранить свою первоначальную, богатую водородом атмосферу, а также, возможно, воду.