Демография планет демонстрирует загадочное отсутствие миров определённого размера во всей галактике

На протяжении веков наша солнечная система была единственной планетной системой, известной человечеству. У нас не было доказательств существования других миров за пределами нашего космического «заднего двора», и мы предполагали, что если и существуют другие планетные системы, то они будут похожи на нашу: небольшие каменистые миры, вращающиеся близко к своим звёздам, с гигантскими планетами, подобными Юпитеру и Сатурну, расположенными дальше. Учёные изучали историю нашего Солнца и его спутников с помощью всех имеющихся у них инструментов и использовали полученные знания для формирования нашего понимания того, как формируются и развиваются планеты. Но около тридцати лет назад астрономы обнаружили экзопланеты, вращающиеся вокруг чужих звёзд. За прошедшие годы мы обнаружили тысячи таких планет, и это разрушило все наши представления о планетах.

Оказалось, что планетные системы в нашей галактике демонстрируют удивительное разнообразие: в некоторых планеты плотно сгруппированы в экзотических конфигурациях, в других преобладают газовые гиганты, скользящие по своим звёздам. Теперь наступила новая эра планетарной науки: демография экзопланет. Анализируя закономерности в размерах, орбитах и составе обнаруженных планет, учёные раскрывают реальные процессы, которые формируют планетные системы. То, что мы обнаруживаем, — это не простая и понятная история, а головоломка: поразительные тенденции в популяциях планет, которые бросают вызов нашему пониманию того, как рождаются и растут планеты.

Эти тенденции дают новые подсказки для ответов на фундаментальные вопросы: почему существует так мало планет определённых размеров, в частности, почему мы не можем найти целую группу «пропавших планет», которые по размеру немного превосходят Землю? Почему в нашей солнечной системе отсутствуют самые распространённые в галактике типы планет — те, что больше Земли, но меньше Нептуна? И, пожалуй, самое важное: как эти открытия влияют на наш поиск пригодных для жизни миров?

Раскрытие этих загадок — это не просто изучение отдельных планет, это понимание общей картины. Исследуя закономерности в демографии экзопланет, мы узнаем не только о том, как устроены планетные системы, но и о том, где находится наша солнечная система в галактическом контексте. В конечном итоге мы хотим узнать, является ли наша планета редкостью или же условия, которые позволили зародиться жизни здесь, могут быть распространены и в других местах.

Первые подтверждённые экзопланеты были обнаружены в 1992 году на орбите пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды, излучающей радиоволны, образовавшейся в результате взрыва массивной звезды, превратившейся в сверхновую. До сих пор неясно, выжили ли эти планеты пульсара после взрыва сверхновой или образовались из её обломков. В любом случае, они являются исключениями в известном наборе данных об экзопланетах.

Настоящий прорыв произошёл в 1995 году с открытием 51 Pegasi b, первой экзопланеты, обнаруженной на орбите вокруг звезды, похожей на Солнце. Этот мир превзошёл все ожидания. Вместо далёкого газового гиганта, подобного Юпитеру, 51 Pegasi b оказался гигантом, масса которого составляла половину массы Юпитера, но который вращался на удивительно близком расстоянии от своей звезды, совершая полный оборот за 4,2 дня. При такой близости планета нагревалась бы до температуры около 980°С, чего достаточно для испарения некоторых металлов. Хотя 51 Pegasi b имеет массу, равную лишь половине массы Юпитера, эта экстремальная температура вызывает раздувание газа, в результате чего радиус планеты в два раза превышает радиус Юпитера. Астрономы назвали этот странный новый класс планет «горячими юпитерами».

Существование горячих юпитеров поставило под сомнение ведущие модели формирования планет. Теории основывались на структуре нашей солнечной системы, где каменистые миры вращаются близко к Солнцу, а газовые гиганты остаются гораздо дальше, в более холодных областях, где они могут накапливать водород и гелий. Но здесь был мир с массой Юпитера, который каким-то образом находился в раскалённых внутренних областях своей планетной системы. Если массивные планеты могут формироваться так близко к своим звёздам — или формироваться дальше и позже перемещаться туда — какие ещё неожиданные комбинации могут существовать?

Астрономы обнаружили 51 Pegasi b, зафиксировав колебания в движении звезды, вызванные гравитационным притяжением вращающейся вокруг неё планеты — с помощью метода, называемого доплеровским (или радиальным скоростным). Когда планета вращается по орбите, она слегка притягивает к себе звезду. С нашей точки зрения на Земле, эта звезда то приближается к нам, то удаляется (если орбита находится под правильным углом к нашей линии зрения), вызывая попеременное красное и синее смещение света звезды, подобно тому, как высота звука сирены скорой помощи повышается, когда она приближается, и понижается, когда она проходит мимо. Чем массивнее планета и чем ближе её орбита, тем больше колебание звезды и тем легче его обнаружить.

Вот почему первыми экзопланетами, обнаруженными с помощью этого метода, были горячие юпитеры, и почему эта стратегия склонна чаще обнаруживать крупные планеты на близких орбитах. По мере того, как с помощью метода радиальной скорости было обнаружено всё больше планет, начали вырисовываться определённые закономерности. К 2008 году, после исследования сотен звёзд, учёные обнаружили, что около 10% звёзд, похожих на Солнце, имеют гигантские планеты, расположенные на расстоянии, в несколько раз превышающем расстояние между Землёй и Солнцем (которое называется астрономической единицей, а.е.). Однако эти ранние демографические закономерности были затуманены нашими наблюдательными искажениями.

Важным шагом вперёд в области планетарной демографии стал запуск НАСА космического телескопа «Кеплер». На протяжении четырёх лет, непрерывно наблюдая за более чем 150 000 звёзд, «Кеплер» обнаружил тысячи планет, используя так называемый транзитный метод. Он искал небольшое ослабление свечения звезды, которое происходит, когда планета проходит перед ней с нашей точки зрения. Результаты были поразительными: Эрик А. Петигура, мой научный руководитель в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, проанализировал данные «Кеплера» и показал, что примерно половина всех звёзд, похожих на Солнце, имеют по крайней мере одну планету размером больше Земли и меньше Нептуна. Эти планеты, которых нет в нашей солнечной системе, по-видимому, совершают полный оборот вокруг своих звёзд за несколько недель или месяцев, а не за годы. Оглядываясь назад, можно сказать, что было недальновидно считать нашу солнечную систему галактическим шаблоном. Однако, согласно общепринятому правилу в астрономии, обычно можно с уверенностью предположить, что наша точка зрения не является чем-то особенным, поэтому, я думаю, нас можно простить.

По мере роста выборки «Кеплера» загадка становилась всё более очевидной. Астрономы заметили поразительное отсутствие планет размером от 1,6 до 1,9 радиуса Земли, которое они назвали «радиальным разрывом». Это открытие не было случайностью, связанной с предвзятостью обнаружения — после того, как исследователи учли все эффекты отбора и предвзятость в наблюдениях, разрыв остался. Что-то в процессе формирования или эволюции планет должно активно препятствовать сохранению планет этого промежуточного размера – и, скорее всего, это процесс, который лишает планет в этом диапазоне атмосферы.

Ещё больше интриги в эту загадку вносит явление, известное как «пустыня горячих нептунов». Планет размером с Нептун не хватает на орбитах с периодом обращения менее трёх дней. Причины этого явления всё ещё исследуются, но, вероятно, к этой тенденции приводят экстремальное излучение звёзд на таком расстоянии и приливные силы. Как и в случае с меньшими планетами, масса которых близка к радиальному разрыву, короткопериодические нептуны особенно уязвимы для потери атмосферы. Со временем их толстые газовые оболочки могут полностью улетучиться, оставив после себя голые каменные ядра, которые мы могли бы классифицировать как суперземли — увеличенные версии нашего каменного мира. Учёные считают, что пустыня горячих нептунов является более экстремальным случаем тех же процессов, которые формируют радиальный разрыв. (По мере накопления новых наблюдений некоторые теории даже предсказывали эти особенности как следствие излучения, исходящего от звёзд).

Последующие наблюдения радиальной скорости с помощью наземных телескопов добавили ещё одну важную деталь в эту головоломку. Измерив массы известных экзопланет, астрономы обнаружили, что радиальный разрыв соответствует изменению состава планет. Планеты с массой ниже этого разрыва плотные и каменистые, как Земля, тогда как планеты с массой выше имеют более низкую плотность, что указывает на наличие значительной атмосферы. Меньшие планеты, по-видимому, являются суперземлями. Более крупные — это «мини-нептуны» с каменными ядрами, окружёнными толстыми слоями водорода и гелия.

Эта демографическая картина вызывает фундаментальные вопросы. Все ли маленькие планеты изначально имеют плотные атмосферы, после чего некоторые из них теряют их со временем? Или они с самого начала формируются с разным составом? Недавние наблюдения планет, активно теряющих свои атмосферы, указывают на то, что потеря газа играет значительную роль.

Астрономы считают, что существует несколько процессов, которые могут лишить планеты атмосферы или ограничить её образование в первую очередь. Двумя ведущими кандидатами являются фотоиспарение и потеря массы, вызванная ядром. Вместе они могут объяснить радиальный разрыв и «пустыню горячих нептунов».

Фотоиспарение — одно из лучших объяснений радиального разрыва. Когда молодые звёзды зажигаются, они испускают экстремальное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, а также мощные ветры заряженных частиц. Планеты, которые вращаются слишком близко к своим звёздам, оказываются в лучах этого излучения, которое нагревает их атмосферы до такой степени, что частицы могут улетучиваться в космос.

Представьте себе две новообразованные планеты, вращающиеся на одинаковом расстоянии от своих звёзд, каждая из которых имеет каменное ядро и значительную оболочку из водорода и гелия. Планета A имеет меньшую массу и более слабую гравитацию, поэтому она не может удержать свою атмосферу, поскольку звезда закачивает в неё энергию. Она быстро теряет весь свой газ в космосе и становится плотной каменной суперземлей. Когда мы наблюдаем эту систему, планета без атмосферы кажется меньше по размеру. Планета B, однако, имеет большую массу и более сильную гравитацию, что позволяет ей удерживать большую часть своей атмосферной оболочки. Когда мы наблюдаем эту систему, планета кажется большой из-за своего светлого и пушистого первозданного кокона.

Теория фотоиспарения делает несколько предсказаний, которые соответствуют наблюдаемым закономерностям. Например, разница в радиусах должна уменьшаться с увеличением орбитального периода, поскольку планеты, расположенные ближе к звёздам, подвергаются более интенсивному излучению и должны быть более массивными, чтобы сохранить свою атмосферу. Аналогичным образом, мы наблюдаем отсутствие планет размером с Нептун с орбитами короче трёх дней, так называемую «пустыню горячих нептунов». В этой области утечка атмосферы настолько эффективна, что выжить могут только каменистые ядра.

Второй механизм исчезновения атмосфер планет — это потеря массы под действием ядра, вызванная теплом, генерируемым внутри планеты. После образования планеты сохраняют значительное количество тепла, полученного в процессе притяжения массы к себе. Эта остаточная внутренняя энергия может нагревать основание атмосферы по мере охлаждения планеты, поднимая первоначальную оболочку снизу и способствуя улетучиванию газа, наряду с притяжением звёздного излучения.

Потеря массы под действием ядра предполагает, что более мелкие и менее массивные планеты, с более слабой гравитацией и меньшим количеством изолирующего газа, теряют свою атмосферу снизу по мере охлаждения в течение сотен миллионов лет. Более крупные планеты, напротив, обладают достаточной гравитационной силой, чтобы удерживать свою оболочку, несмотря на внутреннее нагревание. Этот механизм также согласуется с разрывом в радиусе, учитывая, что планеты среднего размера наиболее подвержены потере атмосферы в результате этого процесса.

В конечном итоге горячие планеты остывают, а звёздная радиация нагревает атмосферы. Астрономы считают, что оба механизма действуют, но пока не решено, какая из теорий имеет большее влияние на эволюцию планет. Вероятно, результат зависит от конкретных условий рассматриваемой планеты.

Другие процессы также могут иметь значение. Например, теория быстрого испарения предполагает, что в первые годы существования планеты, вскоре после образования её звезды, диск обломков, окружающий звезду и содержащий сырьё, из которого были сформированы планеты, очищается. Результирующее быстрое падение давления вокруг планеты может вызвать внезапную фазу испарения её атмосферы.

В других случаях планеты могут формироваться в среде с низким содержанием газа. Эти миры с самого начала естественным образом не будут иметь плотной атмосферы, что приведёт к образованию каменистого состава. Наконец, массивные столкновения между молодыми планетами могут лишить их атмосферы, оставив после себя голые каменистые ядра в результате так называемого контактного срыва. Хотя этот процесс, вероятно, является редким, он может объяснить некоторые планетарные популяции.

Недавние наблюдения начали фиксировать некоторые из этих ситуаций в действии, предоставляя прямые доказательства утечки атмосферы. Поскольку планеты чаще всего теряют массу в молодом возрасте, большинство небольших планет, которые мы можем наблюдать, не подвергаются значительной потере. Однако существует благоприятный сценарий для наблюдения утечки атмосферы в реальном времени: газовый гигант на близкой орбите, также известный как горячий юпитер.

Ярким примером является планета WASP-69b, которую моя группа наблюдала с помощью телескопа в обсерватории W. M. Keck на Гавайях. WASP-69b — это газовый гигант размером с Юпитер и массой Сатурна, который вращается вокруг своей звезды настолько близко, что полный оборот вокруг неё занимает у планеты всего 3,8 дня. В статье, опубликованной нами в 2024 году, мы сообщили о выбросах вещества вокруг планеты, которые указывают на то, что она активно теряет гелий. В данном случае механизмом потери массы должно быть фотоиспарение. Планета слишком массивна, чтобы терять массу из-за внутреннего нагрева; вместо этого она подвергается воздействию высокоэнергетического излучения от своей звезды. Наши наблюдения показали, что WASP-69b теряет около 200 000 тонн в секунду, или одну массу Земли за миллиард лет.

Кроме того, наблюдаются резкие изменения в форме вытекающего газа: иногда он имеет кометоподобный хвост, протяжённостью более 350 000 миль, а в других случаях он выглядит гораздо менее заметным.

Эта изменчивость оттока, вероятно, связана с изменениями в активности звезды-хозяйки. Подобно тому, как наше Солнце проходит через периоды повышенной и пониженной активности в течение своего магнитного цикла, звезды могут переживать периоды более или менее интенсивного излучения и вспышек. Периоды повышенной звёздной активности могут усиливать скорость утечки атмосферы и изменять форму любого материала, устремляющегося с планеты. Это динамическое взаимодействие между звездой и планетой показывает, что потеря атмосферы может быть не постоянным, однородным процессом даже на более зрелых планетах. Скорее, это непрекращающаяся борьба, определяемая как свойствами планеты, так и «настроением» её звезды.

Наши и другие исследования показывают, как фотоиспарение может помочь объяснить как разрыв в радиусах, так и пустыня горячих нептунов, демонстрируя этот процесс потери массы в реальном времени. Для данного орбитального расстояния планеты требуют минимальной массы, чтобы удержать свою атмосферу в условиях воздействия высокоэнергетического звёздного излучения. Разрыв в радиусах отделяет планеты, которые достаточно массивны, от тех, которые таковыми не являются. Пустыня горячих нептунов демонстрирует, как эта концепция усиливается по мере приближения планеты к звезде и экспоненциального увеличения звёздного излучения. При достаточной близости к звезде только горячие юпитеры имеют массу, необходимую для удержания атмосферы — все остальные планеты лишаются своей атмосферы и остаются с голым каменным ядром.

Следующее десятилетие должно стать захватывающим этапом для углубления нашего понимания демографии планет. Хотя большинство астрономов сходятся во мнении, что потеря массы атмосферы является основной причиной того, что мы не видим немного более крупных Земль или горячих Нептунов на близких орбитах, более точные детали остаются невыясненными. Является ли фотоиспарение, вызванное звёздным излучением, доминирующим фактором? Или более важную роль играет потеря массы, вызванная внутренним теплом планеты? Чтобы разобраться во вкладе этих механизмов, требуется новое поколение телескопов и приборов, способных точно измерять массу, состав и атмосферу планет.

Мы надеемся лучше понять, как разрыв радиусов зависит от типа звёзды. Для маломассивных звёзд, таких как карлики M, разрыв радиусов, по-видимому, смещается — меньшие планеты вокруг этих звёзд чаще сохраняют атмосферу, поскольку подвергаются меньшему излучению, чем более крупные звёзды. Разница в радиусах обычно менее выражена, поскольку маломассивные звёзды излучают иное излучение, чем более крупные звёзды. Планеты вокруг этих звёзд также имеют более разнообразный состав ядра, и в этих системах может наблюдаться более высокая частота крупных столкновений.

Планеты вокруг карликов класса M также, как правило, вращаются гораздо ближе, где звёздная активность, такая как вспышки и ветры, может оказать большое влияние на удержание атмосферы. Тщательное изучение этих миров показало, что некоторые из них могут содержать значительные количества воды, возможно, в виде глубоких глобальных океанов под богатой водородом атмосферой. Эти «водные миры» занимали бы уникальное место в планетарной демографии, бросая вызов простым моделям каменистых суперземель и богатых газом мини-нептунов.

Новые наземные инструменты, такие как Keck Planet Finder, который недавно был запущен в обсерватории Кека, и другие высокоточные инструменты для измерения радиальной скорости, будут незаменимы при проверке наших теорий. Позволяя нам измерять массы планет по широкому спектру типов звёзд, эти достижения помогут нам определить, соответствуют ли массы суперземель и субнептунов прогнозам наших различных моделей. В многопланетных системах такие данные могут помочь разделить влияние истории звёздного излучения, позволяя исследователям сравнивать планеты, сформировавшиеся в схожих условиях.

Миссия NASA «Transiting Exoplanet Survey Satellite» (Спутник для исследования транзитных экзопланет) проводит длительный мониторинг, который может выявить планеты с орбитами вокруг своих звёзд, немного более широкими, чем у большинства известных миров. Заполняя эту малонаселённую область небольших экзопланет с более длительными орбитальными периодами, эти открытия предоставят важные данные для понимания того, как атмосферные потери и состав варьируются в более широком диапазоне планетных сред.

Большой скачок вперёд должен произойти, когда в ближайшие десятилетия начнут работать несколько крупных телескопов. Ожидается, что наземные супертелескопы, такие как Extremely Large Telescope Европейской южной обсерватории, начнут работу в конце 2020-х годов. Эти инструменты будут превосходны для наблюдения молодых, светящихся планет, всё ещё излучающих тепло своего образования. Такие гигантские телескопы позволят получить важную информацию о хаотичных ранних стадиях эволюции планет, когда атмосферы наиболее уязвимы для потерь.

Запуск Habitable Worlds Observatory, флагманского космического телескопа NASA, запланирован на 2040-е годы. Он разрабатывается для обнаружения и изучения планет, похожих на Землю, в обитаемых зонах звёзд, похожих на Солнце. Цель состоит в том, чтобы с помощью обсерватории получить прямые изображения этих миров и проанализировать их атмосферы в поисках признаков кислорода, метана и водяного пара — ключевых индикаторов пригодности для жизни.

То, что мы узнаем благодаря всем этим новым инструментам, выходит далеко за рамки демографии планет. Изучая, как планеты теряют или сохраняют свою атмосферу, мы раскрываем секреты пригодности для жизни, разнообразия и сил, которые формируют миры по всей галактике.

Наша солнечная система, которую когда-то считали образцом для всех планетных систем, теперь представляет собой лишь одну из бесчисленных возможностей — уникальную конфигурацию в космосе, изобилующем разнообразием. Большинство звёзд имеют планеты, не похожие на те, что есть в нашем космическом соседстве, напоминая нам, что Вселенная богаче и удивительнее, чем мы себе представляли. Распутывая силы, которые формируют эти далёкие миры, мы постепенно приближаемся к ответу на некоторые из самых древних вопросов человечества: насколько распространены планеты, похожие на Землю? Есть ли другая жизнь среди звёзд? И что на самом деле означает наше место в этой огромной и сложной Вселенной?