Нова модель пояснює дві загадкові планетарні таємниці

Нова модель, яка враховує різні сили, що діють на новонароджені планети, може пояснити два загадкових спостереження, які спостерігалися серед понад 3800 відомих планетних систем.

Перша загадка, «радіусна долина», належати до незвичайної нестачі екзопланет з радіусом приблизно в 1,8 раза більше земного. Згідно зі спостереженнями, проведеними космічним кораблем НАСА «Кеплер», планети такого розміру зустрічаються приблизно у 2-3 рази рідше, ніж суперземлі (з радіусами приблизно в 1,4 раза більше земного) і міні-Нептуни (з радіусами приблизно у 2,5 раза більше земного). 

Друга загадка, відома як «горошини в стручку», стосується наявності сусідніх планет подібного розміру в сотнях планетних систем, включаючи TRAPPIST-1 і Kepler-223, які також мають орбіти з майже музичною гармонією.

«Я вважаю, що ми перші пояснили долину радіуса за допомогою моделі формування планет і динамічної еволюції, яка послідовно враховує численні обмеження спостережень», — сказав Андре Ізідоро з Університету Райса, автор дослідження, нещодавно опублікованого в журналі Astrophysical. Листи журналу. «Ми також можемо показати, що модель формування планети, яка включає гігантські зіткнення, узгоджується з властивістю екзопланет «горох у стручку».

Ізідоро, докторант у проєкті Rice CLEVER Planets, що фінансується NASA, і співавтори використовували суперкомп’ютер для моделювання перших 50 мільйонів років розвитку планетних систем за допомогою моделі міграції планет. У моделі протопланетні диски газу та пилу, які породжують молоді планети, також взаємодіють з ними, наближаючи їх до батьківських зірок і замикаючи в резонансні орбітальні ланцюги. Ланцюги розриваються протягом кількох мільйонів років, коли зникнення протопланетного диска спричиняє орбітальні нестабільності, що призводить до того, що дві або більше планет врізаються одна в одну.

Моделі міграції планет були використані для вивчення планетних систем, які зберегли свої резонансні орбітальні ланцюги. Наприклад, колеги Ізідоро та CLEVER Planets використали модель міграції у 2021 році, щоб обчислити максимальну кількість збоїв, які система з семи планет TRAPPIST-1 могла витримати під час бомбардування та зберегти свою гармонійну орбітальну структуру.

У новому дослідженні Ізідоро співпрацював із дослідниками CLEVER Planets Раджіпом Дасгуптою та Андреа Ізеллою, обома з Райса, Хілке Шліхтінг з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Крістіаном Ціммерманом і Бертрамом Бітчем з Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина.

«Міграція молодих планет до зірок-господарів створює перенаселеність і часто призводить до катастрофічних зіткнень, які позбавляють планети атмосфери, багатої на водень», — сказав Ізідоро. «Це означає, що гігантські зіткнення, як те, що сформувало наш Місяць, ймовірно, є загальним результатом формування планети».

Дослідження показує, що планети бувають двох «смаків»: суперземлі, сухі, кам’янисті та на 50% більші за Землю, і міні-Нептуни, багаті водяним льодом і приблизно у 2,5 раза більші за Землю. Ізідоро сказав, що нові спостереження, здається, підтверджують результати, які суперечать традиційній точці зору, згідно з якою і суперземля, і міні-Нептун є виключно сухими та скелястими світами.

На основі своїх висновків дослідники зробили прогнози, які можна перевірити за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба NASA. Наприклад, вони припускають, що частка планет, яка приблизно вдвічі більша за Землю, збереже свою первісну атмосферу, багату воднем, і буде багата водою.