PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Три типа планет вращаются вокруг красных карликов

Измерение точной плотности экзопланет у красных карликов помогает различить потенциальные «водные миры».

Johanna Teske, журнал SCIENCE, 08.09.2022, Vol 377, Issue 6611, pp. 1156-1157

image
ILLUSTRATION: ESO/M. KORNMESSER/CC BY 4.0

Маленькие планеты, вращающиеся вокруг тусклых красных звезд размером менее половины Солнца, многочисленны и могут быть лучшими местами для поиска признаков жизни (1). Однако детальное строение этих планет и последствия их формирования и эволюции, было трудно изучить из-за их удаленности от Земли, а также из-за красного света, который излучают их звезды. На странице 1211 этого выпуска Луке и Палле (2) представляют уточненную статистику состава малых планет, вращающихся вокруг красных карликов. Они нашли доказательства того, что планеты делятся на три основных типа: каменистые, водяные (в том числе ледяные) и газовые. Этот результат отличается от большинства предыдущих исследований малых планет, которые предполагали только каменистые и газообразные типы (3, 4). Хотя наличие небольших водяных экзопланет особенно заманчиво, все три типа планет вокруг красных карликов могут быть потенциально обитаемыми с пригодными для жизни условиями.

Одним из наиболее важных недавних открытий в науке об экзопланетах является открытие бимодального распределения размеров малых планет вокруг солнцеподобных звезд (3). Считается, что это бимодальное распределение определяется планетами с водородной и/или гелиевой атмосферой или без нее, причем двумя «режимами» являются газообразный и каменистый (4). Исследователи смогли различить эти два типа планет на основе точных измерений радиусов планет и периодов обращения с помощью космического телескопа Kepler и космической обсерватории Gaia. Однако, не зная масс этих планет, трудно оценить их плотность и, следовательно, с уверенностью определить их состав (каменистый или газообразный). Для измерения массы обычно требуются приборы с высоким разрешением на наземных телескопах, и эти измерения, как правило, в большей степени ограничены экзопланетами вокруг более ярких звезд-хозяев. В целом, только ~10% обнаруженных малых экзопланет имеют измерения как радиуса, так и массы.

Луке и Палле воспользовались недавно открытыми планетами, обнаруженными вокруг более близких и, следовательно, относительно ярких красных карликов с помощью спутника Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Их выборка включала 34 экзопланеты с точными измерениями радиуса и массы. Основываясь на своих примерах, они нашли доказательства трех различных режимов плотности, которые включают так называемые водные миры с соотношением камня и льда 50/50, в дополнение к каменистым и газообразным планетам. Их результаты показывают, что планеты — водные миры, как правило, формируются из льда и камней вдали от своей звезды, прежде чем мигрировать на орбиту, более близкую к материнской звезде.

image
Вокруг красного карлика могут образовываться каменистые, водяные и/или ледяные, а также газовые планеты.
GRAPHI
C
: N. CARY/SCIENCE

Обнаружение водяных планет в других планетных системах само по себе не является большим сюрпризом, поскольку вода обычно обнаруживается вокруг молодых звезд (5). В пределах нашей Солнечной системы астероиды и кометы, оставшиеся после формирования планет, богаты водой (6), а на многочисленных лунах и карликовых планетах обнаружены признаки подповерхностных океанов и/или слоев льда (7). Установленные модели формирования планет действительно предсказали, что некоторые планеты имеют тенденцию формироваться за линией льда — то есть на достаточно большом расстоянии от материнской звезды, где вода существует в виде льда, прежде чем мигрировать ближе к звезде. С учетом этого, богатые водой планеты могут особенно легко образовываться вокруг красных карликов, потому что эти планетные системы, по-видимому, более эффективны при формировании планет на больших расстояниях и до их миграции внутрь, прежде чем они соберут слишком много водорода и/или гелия из окружающей среды и станут газообразными (8).

image
GRAPHIC: N. CARY/SCIENCE

Как образуются маленькие планеты вокруг красных карликов
Формирование планет различается в разных солнечных системах. Луке и Палле представляют возможные пути формирования каменистых, водяных (и/или ледяных) и газообразных планет вокруг красных карликов. Не все красные карлики имеют все три типа планет, но все они показаны здесь вокруг одной звезды для краткости.

Линия льда
Температура ниже точки замерзания воды за этой линией.

Миграция внутрь

Скалистые планеты
Небольшая каменистая планета может образоваться из относительно сухого материала вблизи материнской звезды. Эти планеты имеют плотность, которая в основном соответствует земной плотности.

Водяные планеты
Водяная и/или ледяная планета с соотношением 50/50 породы ко льду может формироваться за пределами ледяной линии и мигрировать внутрь к материнской звезде.

Газовые планеты
Газовая планета может формироваться аналогично водной и/или ледяной планете, но изначально она имеет большую массу и, таким образом, способна собирать водород и гелий вокруг себя, прежде чем мигрировать внутрь. Однако природа и формирование газовых планет недостаточно изучены. Существует множество конкурирующих моделей.

—————-

Даже если маленькая планета действительно образуется в пределах ледяной линии системы красного карлика, ледяные астероиды все равно могут врезаться в планету позже, потому что в этих системах менее вероятно наличие планет-гигантов, блокирующих внутреннюю миграцию ледяного вещества (9). Основываясь на этом предположении, модели формирования планет предсказывают, что небольшие внутренние планеты с одной или несколькими гигантскими внешними планетами в одной и той же планетной системе должны быть относительно сухими (10). Это предсказание противоречит вероятному происхождению воды на Земле, которое предполагает, что Юпитер отклонял ледяное вещество из нашей внешней Солнечной системы к Земле (11). Эти конкурирующие точки зрения необходимо будет сравнить с наблюдениями, чтобы выявить, что определяет водные бюджеты малых планет вокруг других звезд и является ли наша Солнечная система исключением из правил.

image
Художественное представление водного мира.
Credi
t
: Pilar Montañés (@pilar.monro)

До сих пор ведутся споры о том, все ли малые планеты, вращающиеся близко к материнской звезде, формируются по общему пути, с каменистыми ядрами и атмосферой, которая иногда теряется из-за нагрева от звезды и/или изнутри самой планеты. Эти дебаты основаны на взаимосвязи между радиусом планеты (Rp) и орбитальным периодом (P), где сила линейной корреляции этой взаимосвязи является ключевым фактором в моделях формирования. Для планет у красных карликов результаты были неоднозначными, с утверждениями о другом (12) или аналогичном (13) процессе образования. Хотя Rp-P — тренд, обнаруженный на планетах у красных карликов, представленных Луке и Палле, также  неубедителен, эти авторы утверждают, что плотность планеты, которая учитывает массу и ее размер, может быть более правильным показателем.

Плотность планет использовалась в недавнем более сложном и тщательном исследовании, в котором проверялось, насколько хорошо различные сочетания типов планет соответствуют существующим данным (14). Это исследование моделировало частоту встречаемости планет в зависимости от радиуса, массы и периода обращения. Оно нашло обоснование для моделей наблюдаемых планет как с водными мирами, так и без них. Однако в исследовании рассматривались только планеты вокруг солнцеподобных звезд, а не красные карлики. Существующие данные о системах, подобных Солнцу, являются многообещающими для надежного различения типов планет, но необходимы улучшенные данные и подходы к моделированию, чтобы в полной мере использовать дополнительную информацию о плотностях малых планет, особенно вокруг красных карликов.

image
Художественное впечатление от вида из водного мира.
Credi
t
: Pilar Montañés (@pilar.monro)

Согласно Луке и Палле, системы красных карликов способны образовывать каменистые, водяные и газообразные планеты, и по крайней мере некоторые из водяных планет формируются за линией льда, прежде чем мигрировать внутрь. По мере поступления новых данных в ближайшем будущем появятся дополнительные доказательства для проверки этого вывода. Несколько планет — водных миров, идентифицированных Луке и Палле, уже запланированы для наблюдений, которые проинформируют исследователей о наличии и составе их атмосфер. В ближайшие годы как космические, так и наземные телескопы будут наблюдать все больше близлежащих малых планет у красных карликов.

Такие планеты будут благоприятными объектами для определения характеристик атмосферы с использованием метода транзита, поскольку они, как правило, блокируют большее относительное количество света, проходящего через поверхность маленькой звезды. Некоторые ученые даже заявляли, что системы красных карликов являются вероятными кандидатами для обнаружения астробиологических признаков внеземных форм жизни (1, 15). Если оставить в стороне возможность обнаружения инопланетных форм жизни, то измерение разнообразия состава планет вокруг красных карликовых звезд — наиболее распространенного типа звезд в Млечном Пути — имеет важное значение для разгадки сложной головоломки формирования и эволюции малых планет.

Ссылки и примечания:
1. A. L. Shields et al., Phys. Rep. 663, 1 (2016).
2. R. Luque, E. Pallé, Science 377, 1211 (2022).
3. B. J. Fulton, E. A. Petigura, Astron. J. 156, 264 (2018).
4. J. E. Owen, Y. Wu, Astrophys. J. 847, 29 (2017).
5. J. R. Najita et al., Astrophys. J. 766, 134 (2013).
6. A. S. Rivkin et al., in Asteroids III ( Univ. Arizona Press, 2002), pp. 235–253.
7. F. Nimmo, R. T. Pappalardo, J. Geophys. Res. Planets 121, 1378 (2016).
8. R. Burn et al., Astron. Astrophys. 656, A72 (2021).
9. S. Sabotta et al., Astron. Astrophys. 653, A114 (2021).
10. M. Schlecker et al., Astron. Astrophys. 656, A71 (2021).
11. C. M. O’D. Alexander, Phil. Trans. R. Soc. A 375, 20150384 (2017).
12. R. Cloutier, K. Menou, Astron. J. 159, 211 (2020).
13. V. Van Eylen et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 507, 2154 (2021).
14. A. R. Neil et al., Astrophys. J. 933, 63 (2022).
15. F. Tian, S. Ida, Nat. Geosci. 8, 177 (2015).

J. Teske благодарит X. S. Wang и T. Lichtenberg за полезные обсуждения, которые легли в основу этой статьи.

image
Обложка журнала SCIENCE от 09.09.2022

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: Three types of planets orbit red dwarfs

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

6

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть комментарии, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.