Нова теорія формування скелястих планет може пролити світло на походження «суперземель», екзопланет, які в кілька разів перевищують Землю, і є найпоширенішим типом планет у галактиці. Крім того, ця теорія також може дати розуміння того, чому суперземлі в одній планетній системі, як правило, демонструють подібний розмір, ніби кожна система обмежена створенням лише одного типу планет.
«Оскільки наші спостереження за екзопланетами зросли за останнє десятиліття, стало зрозуміло, що стандартну теорію формування планет необхідно переглянути, починаючи з основ. Нам потрібна теорія, яка могла б одночасно пояснити формування планет земної групи в нашій Сонячній системі, а також походження самоподібних систем суперземель, багато з яких здаються кам’янистими за складом», – каже професор планетознавства Каліфорнійського технологічного інституту Костянтин Батигін. (MS ’10, Ph.D. ’12), який співпрацював з Алессандро Морбіделлі з Observatoire de la Côte d’Azur у Франції над новою теорією.
Планетарні системи починають свій життєвий цикл як великі обертові диски газу та пилу, які консолідуються протягом кількох мільйонів років або близько того. Більша частина газу накопичується в зірці в центрі системи, тоді як твердий матеріал повільно об’єднується в астероїди, комети, планети та супутники.
У нашій Сонячній системі є два різних типи планет: менші скелясті внутрішні планети, найближчі до Сонця, і зовнішні більші, багаті водою та воднем газові гіганти, які розташовані далі від Сонця. У попередньому дослідженні, опублікованому в Nature Astronomy наприкінці 2021 року, ця дихотомія змусила Морбіделлі, Батигіна та їх колег припустити, що формування планет у нашій Сонячній системі відбувалося у двох різних кільцях протопланетного диска: внутрішньому, де малі кам’янисті планети. сформувався і зовнішній для більш масивних крижаних планет (дві з яких — Юпітер і Сатурн — пізніше перетворилися на газові гіганти).
Суперземлі, як випливає з назви, масивніші за Землю. Деякі навіть мають водневу атмосферу, що робить їх майже схожими на газові гіганти. Крім того, їх часто знаходять на орбітах поблизу своїх зірок, що свідчить про те, що вони мігрували до свого поточного місця розташування з більш віддалених орбіт.
«Кілька років тому ми побудували модель, у якій суперземлі утворилися в крижаній частині протопланетного диска та мігрували аж до внутрішнього краю диска, поблизу зірки», — каже Морбіделлі. «Модель могла б пояснити маси та орбіти суперземель, але передбачила, що всі вони багаті водою. Однак останні спостереження показали, що більшість суперземель кам’янисті, як і Земля, навіть якщо вони оточені водневою атмосферою. Це був смертний вирок нашій старій моделі».
За останні п’ять років історія стала ще дивнішою, оскільки вчені, зокрема команда під керівництвом Ендрю Говарда, професора астрономії Каліфорнійського технологічного інституту; Лорен Вайс, доцент Університету Нотр-Дам; і Ерік Петігура, колишній аспірант Сагана з астрономії в Каліфорнійському технологічному інституті, а тепер професор Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, досліджували ці екзопланети та зробили незвичайне відкриття: хоча існує велика різноманітність типів суперземель, усі суперземлі в межах одна планетна система, як правило, схожа з точки зору орбітального інтервалу, розміру, маси та інших ключових характеристик.
«Лорен виявив, що в межах однієї планетарної системи суперземлі схожі на «горошину в стручку», — каже Говард, який не був безпосередньо пов’язаний зі статтею Батигіна-Морбіделлі, але переглянув її. «По суті, у вас є фабрика планет, яка знає, як виготовляти планети лише однієї маси, і вона просто викидає їх одну за одною».
Отже, який окремий процес міг спричинити появу скелястих планет у нашій Сонячній системі, а також єдиних систем скелястих суперземель?
«Відповідь, як виявляється, пов’язана з чимось, що ми з’ясували у 2020 році, але не усвідомлювали, що це стосується формування планет у ширшому плані», — каже Батигін.
У 2020 році Батигін і Морбіделлі запропонували нову теорію формування чотирьох найбільших супутників Юпітера (Іо, Європи, Ганімеда та Каллісто). По суті, вони продемонстрували, що для певного діапазону розмірів частинок пилу сила, яка тягне частинки до Юпітера, і сила (або захоплення), що переносять ці частинки у зовнішньому потоці газу, повністю компенсують одна одну. Такий баланс сил створив кільце матеріалу, який утворив міцні будівельні блоки для подальшого формування супутників. Крім того, теорія припускає, що тіла будуть рости в кільці, доки вони не стануть достатньо великими, щоб вийти з кільця через міграцію, що ведеться газом. Після цього вони припиняють рости, що пояснює, чому в результаті процесу утворюються тіла подібних розмірів.
У своїй новій статті Батигін і Морбіделлі припускають, що механізм формування планет навколо зірок в основному однаковий. У планетарному випадку великомасштабна концентрація твердого кам’яного матеріалу відбувається у вузькій смузі диска, яка називається лінією силікатної сублімації — області, де силікатні пари конденсуються, утворюючи тверду кам’янисту гальку.
«Якщо ви — порошинка, ви відчуваєте значний зустрічний вітер у диску, тому що газ обертається повільніше, і ви обертаєтеся по спіралі до зірки; але якщо ви перебуваєте у формі пари, ви просто обертаєтеся по спіралі назовні разом із газом у диску, що розширюється. Тому там, де ви перетворюєтеся з пари у тверду речовину, накопичується матеріал», — каже Батигін.
Нова теорія визначає цю смугу як ймовірне місце для «фабрики планет», яка з часом може створити кілька скелястих планет однакового розміру. Крім того, коли планети стають достатньо масивними, їх взаємодія з диском буде прагнути притягнути ці світи всередину, ближче до зірки.