Новая «суперземля» оказалась больше газовых гигантов!

Новая «суперземля» оказалась больше газовых гигантов!

Группа астрономов во главе с Авивом Офиром (Aviv Ofir) из Гёттингенского университета (Германия) провела собственное исследование материалов космического телескопа «Кеплер», надеясь найти планеты в системе KOI 1574 (она же Кеплер-87), что удалена от Земли почти на 800 световых лет.

Почему абсолютное большинство известных «суперземель» имеет плотность, многократно превышающую показатель Кеплера-87с? И почему в нашей Солнечной системе, где, казалось бы, состав протопланетного диска должен быть очень похожим, нет ничего подобного? (Иллюстрация ESO / L. Calçada.)

Поначалу всё казалось обычным: удалось привычно отыскать следы двух планетных тел, одно с периодом обращения вокруг своей звезды в 114 дней (Кеплер-87 b), а другая экзопланета имеет год протяжённостью в 191 день. Первая оказалась газовым гигантом с диаметром в 13,49 ± 0,55 земных, массой в 324,2 ± 8,8 земных и плотностью в 0,729 г/см³. То есть, как и Сатурн, эта планета могла бы плавать в воде — если бы нашла достаточно большой океан.

А вот Кеплер-87 c удивил своими размерами: 6,14 ± 0,29 диаметра Земли при массе всего в 6,4 ± 0,8 земных. Чтобы вам до конца стало понятно недоумение первооткрывателей, добавим: эта «суперземля» больше Урана и Нептуна, что в два-три раза тяжелее её самой, и по размерам находится посередине между ними и Сатурном! Так что такое теперь газовый гигант, а что — планета с примерно земными параметрами? Вопрос!

Ну а плотность у этой планеты поистине удивительна — всего 0,152 г/см³, то есть намного легче дерева и, по сути, равна плотности самых горячих из «горячих Юпитеров» — газовых гигантов, настолько близких к своим звёздам, что их атмосферы от тысячеградусных разогревов «вспухают», резко увеличивая видимый диаметр планеты. Вот только Кеплер-87 c не газовый гигант, а «суперземля», которой подобная сверхнизкая плотность не свойственна. Да и температура планеты не может быть такой высокой — звезда системы Кеплер-87 очень похожа на Солнце, как по температуре, так и по металличности; близка и её светимость, то есть никаких причин для перегрева у не слишком близкой к светилу Кеплер-87 c просто нет.

И тем не менее налицо факт: планета-рекордсменка, обладающая самой низкой плотностью среди всех известных «суперземель». По совершенно непонятной причине.

Среди прочего дело ещё и в том, что для обеспечения такой сверхнизкой плотности планете неизбежно приходится иметь основными компонентами своей газовой оболочки водород и гелий. Но системе, в которой находится Кеплер-87 с, 7–8 млрд лет, она намного старше Солнечной. И при такой огромной протяжённости атмосферы гравитация во внешних слоях планеты очень слаба, то есть и водород, и гелий должны интенсивно теряться, как это в своё время случилось с Землёй. Иными словами, на сегодня основные компоненты газовой оболочки Кеплера-87 с должны быть давно и надёжно утеряны, а раз так, то «разбухшей» атмосферы там просто не может быть, как и огромного диаметра «под сто тысяч километров», благо без очень толстой атмосферы такой плотности вообще не добиться.

Да чего там, планет с массой меньше десятка земных (они же «суперземли»), содержащих много водорода и гелия, вообще очень мало, а уж таких старых и таких огромных размеров — просто нет. А тут не то что десяти, но даже и семи масс Земли почти наверняка не будет, что делает ситуацию совсем загадочной. И всё равно — даже если бы водород и гелий чудесным образом могли задержаться на неподходящей для этого планете, совершенно неясно, как её плотность могла упасть ниже, чем у настоящих газовых гигантов...

Напрашивается очевидный вывод: ошибка в расчётах. Но вот что пишут авторы: мы и сами в недоумении, но все перепроверки принесли те же результаты, и все цифры по системе и её планетам хорошо совместимы, однако по-прежнему показывают очень странную плотность «суперземли» Кеплер-87 с. Как говорится, и всё-таки она газовая, как бы странно это ни звучало для маломассивной старой планеты с очевидно недостаточной для этого гравитацией.

В поисках ответа астрономы прошерстили литературу и выяснили, что в 2011 году группа теоретиков предположила, что из известных на сегодня механизмов образования планет даже тело радиусом в шесть раз больше Земли (то есть практически Кеплер-87 с) может иметь очень низкую массу в 6,4 земной (и опять угадана открытая на два года позже планета) в случае, если примерно 20% её массы приходится на газовую оболочку. Правда, в модели Роджерса и Ко, так близко подобравшихся к параметрам неведомой тогда Кеплер-87 с, температура моделируемой планеты была около 500 К, а ныне открытая экзопланета скорее близка к 400 К, то есть доля атмосферы в её массе должна быть ещё выше.

Для сравнения можно напомнить, что на Земле она порядка миллионной части общепланетарной массы, то есть речь идёт о разнице долей газовых компонентов в сотни тысяч раз.

Масса Кеплера-87с соответствует другой «суперземле» — GJ 1214 b (посередине), планете-океану, лежащей в 40 световых годах от нас. Вот только даже планета-океан, втрое уступающая по плотности Земле, имеет при этом радиус в 2,7 раз больше земного, а Кеплера-87с — в 6,1 раза! Похоже, перед нами «суперземля» совершено нового типа, больше Нептуна (справа)! (Иллюстрация Wikimedia Commons.)

Кажется, астрономы убедились, что огромная вариабельность в составе планет одной массы касается не только газовых гигантов, но и «суперземель», которые могут содержать такое огромное количество лёгких газов, что даже через много миллиардов лет существования всё ещё более чем на одну пятую состоят только из них. Особую неожиданность этому открывшемуся разнообразию планет придаёт тот факт, что система Кеплер-87 располагает звездой, чрезвычайно похожей на Солнце. То есть формально столь диковинная планета могла возникнуть даже в нашей системе, не выглядевшей особенно экзотичной.

Очевидно, вариабельность состава «суперземель» в планетарных системах вокруг звёзд с иной металличностью может быть ещё выше.

Отчёт об исследовании принят к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, а его препринт можно полистать на сайте arXiv.