И.о. Земли и Юпитера

Астрономы теперь все чаще заговаривают о существовании (и даже очень большой распространенности) во Вселенной особого типа экзопланет, не встречающихся в нашей Солнечной системе, - так называемых "суперземель" ("super-Earths") - каменистых, как и наша Земля, планет, которые по массе превосходят ее в несколько раз, достигая массы Нептуна. Новая теория, описывающая процессы формирования таких "суперземель", предсказывает, что их с большей вероятностью можно будет обнаруживать вблизи красных карликов - то есть самого распространенного типа звезд, - и там эти самые "суперземли" будут занимать место наших газовых гигантов - Юпитера и Сатурна. Теория, предложенная доктором Аланом Боссом (Alan Boss) из Отдела земного магнетизма американского Института Карнеги в Вашингтоне (Carnegie Institution's Department of Terrestrial Magnetism - DTM), описывает конкретный механизм, посредством которого ультрафиолетовая радиация от близкой звезды буквально "сдувает" газовую оболочку планеты, выставляя на всеобщее обозрение "голый остов" - "суперземлю". Работа, опубликованная 10 июня 2006 года в "Астрофизическом журнале" (ApJ (Letters)), претендует также и на объяснение недавних довольно неожиданных открытий экстрасолнечных планет подобного типа методом микролинзирования (microlensing).

"Из 300 ближайших к Солнцу звезд по крайней мере 230 - это красные карлики, массы которых не превышают половины солнечной массы, - говорит Босс. - Поскольку именно у ближайших к нам звезд проще всего обнаружить планеты, похожие на Землю, очень важно получить предсказание, какие именно типы планетных систем мы с наибольшей вероятностью могли бы там найти... ну а это в свою очередь приводит нас к необходимости изучить процессы их возможного формирования".

Недавно было получено свидетельство существования самой маломассивной планеты из всех, что нам известны у "нормальных" звезд - сформированной у звезды главной последовательности, да к тому же еще похожей на Солнце. Эта экзопланета была найдена международным консорциумом астрономов, что возглавлял Жан-Филипп Болие (Jean-Philippe Beaulieu) из парижского Астрофизического института (Institut d'Astrophysique). Тогда был изучен случай микролинзирования OGLE-2005-BLG-390Lb от 11 июля 2005 года, в результате которого относительно близкий к нам объект немного усиливал свет, приходящий от гораздо более отдаленной звезды - эффект, в общем виде предсказанный еще Альбертом Эйнштейном на основе Общей теории относительности. OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) - это Эксперимент по исследованию оптического гравитационного линзирования, стартовавший в 1992 году, в ходе него отслеживаются 170 миллионов звезд в центральной "выпуклости" (балдже) Млечного пути. Кроме случая микролинзирования, связанного с самой звездой, астрономам удалось зафиксировать и вторичный (более слабый) "пичок" на диаграмме, который связывают с присутствием возле звезды невидимой нам планеты, масса которой превышает земную массу в 5,5 раза. Размеры орбиты этой планеты сравнимы с размерами Главного астероидного пояса в нашей Солнечной системе. Вероятнее всего, в этом случае речь можно вести о планете у красного карлика (точнее говоря, М-карлика - информация об открытии обнародована 26 января в выпуске журнала Nature). До этого случая рекордом считалась планета массой в 7 земных масс (GJ876d у красного карлика Gliese 876), найденная путем анализа слабого гравитационного воздействия этой планеты на звезду-хозяина. Еще один случай микролинзирования у другого красного карлика впоследствии позволил выявить планету уже с 13 земными массами.

Группы, обнаружившие планету массой в 5,5 земной методом микролинзирования, интерпретировали свое открытие как свидетельство того, что "суперземли" могут формироваться у красных карликов в ходе тех же процессов, что приводят к появлению более привычных нам планет земной группы у карликов желтых, - взаимостолкновений и слипания небольших твердых тел (планетезималий). Этот процесс протекает столь неторопливо, что не может привести к формированию у красных карликов газовых гигантов, поскольку дисковый газ с большой вероятностью просто рассеется ранее, чем твердые тела обретут такие размеры, чтобы суметь захватить и удержать газовую оболочку. Однако еще до OGLE-2005-BLG-390Lb теми же методами микролинзирования у красных карликов уже удавалось находить планеты с массой, превышающей в несколько раз массу Юпитера (два подобных события были зафиксированы в 2004 году - "очень горячие юпитеры" OGLE-TR-113 и OGLE-TR-132). Учитывая тот факт, что микролинзированием удалось "нащупать" сопостовимые количества как газовых гигантов, так и "суперземель", утверждалось, что гигантов в конечном счете должно быть гораздо меньше, чем "земных родственников".

Босс придерживается иного мнения. Ранее ему уже удалось показать, что гигантские газовые протопланеты у красных карликов образуются в результате быстрого роста неустойчивостей в протопланетном диске, посредством которых этот диск формирует спиральные рукава и самосжимающиеся протопланеты - будущие "юпитеры". Однако, большинство звезд формируется в тех галактических регионах, где царят юные звезды-гиганты спектрального класса "O". Такие звезды испускают огромные количества ультрафиолетовой радиации, которая "выдувает" (ионизирует) газ из протопланетных дисков у других молодых звезд, практически лишая их внешние протопланеты газовых оболочек. В 2002 году Босс и его коллеги по Институту Карнеги Джордж Ветэрилл (George Wetherill) и Нейдр Хагайгипоер (Nader Haghighipour, теперь он - в Гавайском университете - University of Hawaii), предложили этот вариант для объяснения формирования Урана и Нептуна, имеющих массы, сопоставимые с массами "суперземель".

"Все это подсказало мне, что поскольку успешность "ультрафиолетовых зачисток" зависит от массы центральной звезды, "суперземли" должны чаще обнаруживаться на ближайших орбитах у красных карликов, а не у звезд, подобных Солнцу, - объясняет Босс. - Эта идея естественным образом позволяет описывать формирование у красных карликов, расположенных близко к массивным звездам, "суперземель", обращающихся по таким орбитам, на которых они и были найдены методом микролинзирования". А вот красные карлики, которые формируются в отсутствии ближайших массивных звезд, не будут страдать от "ультрафиолетовых зачисток" (UV stripping - можно перевести еще и как "раздевание") и, следовательно, сформируют газовых гигантов на тех расстояниях, которые у "зачищаемых" красных карликов отданы "суперземлям". Впрочем, такие звезды в Галактике находятся в явном меньшинстве, поэтому в конечном счете окрестности красных карликов должны быть заселены главным образом "суперземлями" - как на расстояниях, соответствующих нашему астероидному поясу, так и вне его. Это предсказание находится в прекрасном согласии с новоообнаруженными случаями планетного микролинзирования.

Теоретические предсказания Босса, возможно, будут проверены в самое ближайшее время - как за счет продолжающихся исследований случаев микролинзирования, так и после запуска специализированных космических миссий по обнаружению экзопланет, что планируются как NASA, так и Европейским космическим агентством (ESA) - "Кеплер" (Kepler), TPF (Terrestrial Planet Finder - искатель землеподобных планет - 2015 г.), SIM (Space Interferometry Mission - космическая интерферометрия), COROT (COnvection, ROtation and planetary Transits - конвекция, вращение и планетарные прохождения, запуск намечен на октябрь 2006 года). А выявление конкретного состава "суперземель" станет важнейшим достижением, после которого можно будет заговорить и об их обитаемости...

На иллюстрации вверху:

Формирование планет у красного карлика. Четыре протопланетные группы массой с Юпитер сформировались на орбитах, примерно соответствующих орбите нашего Сатурна, спустя 215 лет эволюции первоначально гладкого газопылевого диска у красного карлика с массой в половину массы нашего Солнца. Фиолетовый цвет обозначает области с высокой газовой плотностью в середине протопланетного диска. Красный карлик (он здесь невидим) расположен в самом центре диска. Все эти протопланеты были бы "раздеты" и превратились бы в "суперземли", если бы эта планетная система сформировалась близко к массивной звезде. Результаты компьютерного моделирования с сайта Алана Босса

Источники:

Forming super-Earths by ultraviolet stripping - Carnegie Institution of Washington - News Release

Rapid Formation of Super-Earths around M Dwarf Stars - arXiv.org - astro-ph (Astrophysical Journal (Letters), in press)

Ссылки:

Открытие с помощью гравитационного линзирования холодной планеты с массой 5.5 масс Земли - Обзоры препринтов astro-ph

Discovery of a Cool Planet of 5.5 Earth Masses Through Gravitational Microlensing - arXiv

Discovery of small, rocky, extrasolar world suggests such planets may be common - US National Science Foundation - News

Smallest extrasolar planet revealed by microlensing - New Scientist

Экзопланеты - Обзоры электронных препринтов astro-ph