Протягом століть наша Сонячна система була єдиною планетарною системою, відомою людям. Ми не мали доказів існування інших світів за межами нашого космічного подвір’я й уявляли, що якщо й існують інші планетарні системи, то вони мають бути схожими на нашу: маленькі скелясті світи, що обертаються близько до своїх зірок, а далі – гігантські планети, подібні до Юпітера та Сатурна. Вчені вивчали історію нашого Сонця та його супутників за допомогою всіх доступних їм інструментів і використовували отримані знання, щоб сформувати наше бачення того, як утворюються й еволюціонують планети. Але близько тридцяти років тому астрономи знайшли екзопланети, що обертаються навколо інших зірок. З того часу вчені відкрили тисячі таких планет, що перевернуло наше уявлення про планети у нашій галактиці.
Виявляється, що планетарні системи в нашій галактиці відрізняються надзвичайною різноманітністю: деякі мають щільно згруповані планети в екзотичних конфігураціях, в інших домінують газові гіганти, що обертаються навколо своїх зірок. Зараз настала нова ера планетології: «демографія екзопланет». Аналізуючи закономірності розміру, орбіт і складу виявлених планет, вчені досліджують природні процеси, що формують планетарні системи. Те, що ми знаходимо, – це не просто опис еволюційних подій, а справжня головоломка: дивовижні закономірності в популяціях планет, які ставлять під сумнів наше уявлення про те, як народжуються і формуються планети.
Ці тенденції пропонують нові підказки для розв’язання фундаментальних питань: чому існує так мало планет певного розміру, зокрема, чому бракує планет дещо більших за Землю? Чому в нашій Сонячній системі відсутні найпоширеніші типи планет у галактиці – ті, що більші за Землю, але менші за Нептун? І, мабуть, найважливіше: як ці відкриття впливають на наш пошук придатних до життя світів?
Розгадати ці таємниці можна не лише вивчаючи окремі планети, а й аналізуючи загальну картину. Досліджуючи закономірності в «демографії» екзопланет, ми дізнаємося не тільки про те, як функціонують планетарні системи, а й про те, яке місце займає наша Сонячна система в цьому галактичному ландшафті. Зрештою, ми хочемо зрозуміти, чи є наша планета унікальною, чи умови, які дали змогу зародитися життю тут, можуть зустрічатися і в інших світах.
Перші підтверджені екзопланети були відкриті в 1992 році на орбіті пульсара – зорі, що випромінює радіохвилі та швидко обертається. Вона утворилася після вибуху масивної зірки, яка перетворилася на наднову. Досі невідомо, чи ці планети вижили після вибуху наднової, чи утворилися з її залишків. У будь-якому разі, вони є винятками в базі виявлених екзопланет.
Існування «гарячих Юпітерів» зруйнувало уявлення про формування планет. Теорії базувалися на структурі нашої Сонячної системи, де скелясті світи обертаються близько до Сонця, а газові гіганти залишаються набагато далі, у холодніших регіонах, де вони можуть накопичувати водень і гелій. Але тут був світ із масою Юпітера, який якимось чином захопив розпечені внутрішні області своєї планетної системи. Якщо масивні планети можуть утворюватися так близько до своїх зірок – або далі і пізніше мігрувати на такі орбіти – то які ще нестандартні, за нашими уявленнями, системи можуть існувати?
Ми хочемо дізнатися, чи є наша планета унікальною, чи умови, які дозволили зародитися життю тут, можуть зустрічатися і в інших світах.
Астрономи відкрили 51 Pegasi b, виявивши коливання в русі її зірки, спричинене гравітаційним тяжінням планети, – тепер це називають методом Доплера (або радіальної швидкості). Коли планета обертається, вона трохи притягує свою зірку до себе. Для спостерігача на Землі ця зірка періодично віддаляється від нас, а потім наближається (якщо орбіта знаходиться під правильним кутом до нашої лінії зору), що викликає почергове червоне та синє зміщення спектра світла зірки, подібно до того, як висота звуку сирени швидкої допомоги підвищується, коли вона наближається, і знижується, коли проїжджає повз. Чим масивніша планета і чим ближче її орбіта, тим сильніші коливання зірки і тим легше виявити такі об’єкти.
Ось чому першими екзопланетами, виявленими за допомогою цього методу, були «гарячі юпітери». Цей метод підходить саме для пошуку великих планет на близьких орбітах. У міру того, як за допомогою методу радіальної швидкості було виявлено все більше планет, почали вимальовуватися певні закономірності. До 2008 року, після дослідження сотень зірок, вчені встановили, що близько 10% зірок, схожих на Сонце, мають планети-гіганти, віддалені від них на відстань, що в кілька разів перевищує відстань між Землею і Сонцем (так звана астрономічна одиниця). Однак ці ранні «демографічні» закономірності були спотворені нашими упередженнями в спостереженнях.
Важливим кроком вперед у планетарній демографії став запуск NASA космічного телескопа Kepler. Протягом чотирьох років, безперервно спостерігаючи за понад 150 000 зірок, Kepler виявив тисячі планет, використовуючи так званий метод транзиту. Апаратура виявляла незначне приглушення світимості зірки, яке відбувається, коли планета проходить перед нею з нашої перспективи. Результати були вражаючими: Ерік А. Петігура, з Університету Каліфорнії в Лос-Анджелесі, проаналізував дані Kepler і довів, що приблизно половина всіх зірок, схожих на Сонце, мають принаймні одну планету розміром між Землею і Нептуном. Можна припустити, що ці планети, яких у нашій Сонячній системі немає, обертаються навколо своїх зірок за кілька тижнів або місяців, а не років. З ретроспективи, було недалекоглядно вважати нашу Сонячну систему шаблоном для всієї галактики. Однак, як правило, в астрономії заведено вважати, що наша думка є пересічною і неособливою, тому, певно, людству можна пробачити наше хибне уявлення.
Зі збільшенням вибірки з апарата Kepler загадка ставала все більш очевидною. Астрономи помітили разючу нестачу планет розміром від 1,6 до 1,9 радіуса Землі, яку вони назвали «радіусною прогалиною». Це відкриття не було випадковим – після того, як дослідники врахували всі ефекти відбору та похибки в спостереженнях, прогалина залишилася. Щось у процесі формування або еволюції планет, мабуть, активно заважає планетам підтримувати цей проміжний розмір, найімовірніше, це процес, який руйнує атмосфери таких планет (прим. перекладача – на певній орбітальній відстані планетам потрібна мінімальна маса, щоб утримати свою атмосферу під впливом високоенергетичного випромінювання зірки).
Ще більше інтриги цій загадці додає явище, відоме як «пустеля гарячих Нептунів». Планети розміром з Нептун явно відсутні на орбітах із періодом обертання, меншим за три дні. Причини цього явища все ще досліджуються, але, ймовірно, цьому сприяє потужне випромінювання зірок на такій відстані та припливні сили. Як і у випадку з меншими планетами, маса яких близька до радіусної прогалини, короткоперіодичні «Нептуни» особливо вразливі до втрати атмосфери. З часом їхні товсті газові оболонки можуть повністю зникнути, лишивши по собі голі скелясті ядра, які ми класифікуємо як «суперземлі» – збільшені версії нашого скелястого світу. Вчені вважають, що пустеля гарячих Нептунів є більш радикальним проявом тих самих процесів, що формують радіусну прогалину. Зі збільшенням кількості спостережень деякі теорії навіть передбачають, що такі процеси є наслідком випромінювання зірок.
Подальші вимірювання змін радіальної швидкості за допомогою наземних телескопів додали ще одну важливу деталь до загальної картини. Вимірявши масу відомих екзопланет, астрономи з’ясували, що різниця в радіусах відповідає різній хімічній структурі тіл. Планети з масою, меншою за цю різницю, є «щільними» (скелястими), як Земля, тоді як ті, що мають більшу масу, характеризуються меншою «щільністю», що вказує на наявність потужної атмосфери. Менші планети, ймовірно, належать до класу «суперземель». Більші – це «міні-Нептуни» з твердим ядром, оповитим товстими шарами водню та гелію.
Ця «демографічна» закономірність породжує фундаментальні питання. Чи всі малі планети спочатку мають потужну атмосферу, а деякі з них з часом її втрачають? Або ж вони від самого початку мають різний склад? Нещодавні спостереження за планетами, у яких активно руйнується атмосфера, свідчать про те, що втрата газів має істотне значення в розгадці цього феномена.
Астрономи припускають, що існує кілька процесів, які можуть зруйнувати атмосферу планет або обмежити її формування. Два основні – це фотовипаровування та втрата маси під дією ядра. Разом вони можуть стати поясненням явищу радіусної прогалини та пустелі гарячих Нептунів.
Фотовипаровування – одне з найімовірніших пояснень радіусної прогалини. Коли молоді зірки спалахують, вони випромінюють надзвичайно сильне ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання, а також породжують потужні потоки заряджених частинок. Планети, які обертаються занадто близько до своїх зірок, опиняються в цьому випромінюванні, яке нагріває їх атмосфери до такої межі, коли частинки можуть вирватися у відкритий космос.
Уявіть дві нещодавно сформовані планети, що обертаються на однаковій відстані від своїх зірок, кожна з цих планет має кам’яне ядро і потужну оболонку з водню та гелію. Планета А має меншу масу і слабшу гравітацію, тому вона не може утримати свою атмосферу, коли зірка випромінює на неї енергію. Вона швидко втрачає весь свій газ і стає щільною, скелястою суперземлею. Коли ми спостерігаємо за цією системою, планета без атмосфери здається меншою за розміром. Планета Б, однак, має більшу масу і сильнішу гравітацію, що дає їй змогу утримувати більшу частину своєї атмосфери. Коли ми спостерігаємо за цією системою, планета здається великою через її світлий і об’ємний первинний покрив.
Теорія фотовипаровування має кілька припущень, які відповідають спостережуваним закономірностям. Наприклад, радіусна прогалина має зменшуватися разом з орбітальним періодом, оскільки планети, що знаходяться ближче до зірок, зазнають більш інтенсивного випромінювання і повинні бути масивнішими, щоб утримати свою атмосферу. Аналогічно, ми бачимо відсутність планет розміром з Нептун з орбітами, меншими ніж три дні, так звану гарячу пустелю Нептуна. У цій області атмосфера випаровується настільки інтенсивно, що залишаються лише скелясті ядра.
Другим механізмом знищення атмосфер планет є втрата маси, що відбувається коштом енергії ядра, яка генерується всередині планети. Після утворення планета утримує значну кількість тепла, що виділяється в процесі накопичення маси. Ця надлишкова внутрішня енергія може нагрівати нижні шари атмосфери під час охолодження планети, виштовхуючи первинний покрив знизу і сприяючи витоку газів під дією випромінювання зірки.
Наша Сонячна система, яка колись вважалася зразком для всіх планетних систем, тепер є лише одним із безлічі можливих варіантів.
Втрата маси під дією ядра вказує на те, що менші та не такі масивні планети, зі слабшою гравітацією та меншою кількістю газової оболонки, втрачають свою атмосферу знизу, охолоджуючись протягом сотень мільйонів років. Натомість більші планети мають достатню гравітацію, щоб утримати свою оболонку, нівелюючи внутрішнє нагрівання. Цей механізм також узгоджується з явищем радіусної прогалини, оскільки планети середнього розміру найвразливіші до втрати атмосфери під дією цього процесу.
Можна узагальнити, що розпечені планети охолоджуються, а зоряне випромінювання нагріває атмосфери. Астрономи вважають, що обидва механізми працюють, але досі не зрозуміло, яка з теорій має більший вплив на еволюцію планет. Ймовірно, результат залежить від конкретних умов на планеті.
Інші процеси також можуть впливати на еволюцію планет. Наприклад, теорія швидкого випаровування передбачає, що протягом ранніх років формування планети, незабаром після утворення її зірки, диск уламків, що обертається навколо неї й містить матеріали, з яких утворюються згодом планети, очищається. Це призводить до різкого падіння тиску довкола планети, що може спровокувати раптове випаровування її атмосфери.
В інших випадках планети можуть утворюватися в середовищах збіднених на гази. Ці світи від початку не матимуть товстої атмосфери, тож вони стають скелястими світами. Крім того, сильні зіткнення між молодими планетами можуть знищити їхні атмосфери, лишаючи голі скелясті ядра. Хоча цей процес, ймовірно, відбувається рідко, він може стати поясненням особливостей певних популяцій планет.
Нещодавні спостереження почали виявляти подібні ситуації, що є прямим доказом випаровування атмосфери. Оскільки найчастіше масу втрачають молоді планети, більшість невеликих планет, які ми зараз спостерігаємо, уже пройшли цей еволюційний етап. Та є ситуація, коли ми можемо спостерігати за випаровуванням атмосфери «в реальному часі»: газовий гігант на низькій орбіті, яких називають «гарячими Юпітерами».
Яскравим прикладом є планета WASP-69b, яку група астрономів спостерігала за допомогою телескопа в обсерваторії імені Вільяма Майрона Кека на Гаваях. WASP-69b – це газовий гігант розміром з Юпітер і масою, як у Сатурна. Він обертається навколо своєї зірки настільки близько, що повний оберт планета робить лише за 3,8 доби. У статті, опублікованій у 2024 році, повідомлялося про відтік речовини з планети, що вказує на активну втрату гелію. У цьому випадку механізмом втрати маси має бути фотовипаровування. Планета занадто масивна, щоб втрачати масу під дією внутрішнього нагрівання; натомість вона отримує високоенергетичне випромінювання своєї зірки. Спостереження виявили, що WASP-69b втрачає близько 200 000 тонн маси на секунду, або одну масу Землі за мільярд років. Крім того, спостерігаються різкі зміни у структурі відтоку газу: іноді за планетою формується хвіст, схожий на кометний, довжиною понад 560 000 км, а іноді він майже зникає.
Ця мінливість витоку, ймовірно, пов’язана зі змінами в активності материнської зірки. Подібно до того, як наше Сонце проходить періоди підвищеної та зниженої активності під час свого магнітного циклу, зірки можуть переживати періоди більшої чи меншої інтенсивності випромінювання та спалахів. Періоди підвищеної активності зірок можуть збільшувати швидкість відтоку атмосфери та змінювати форму будь-якого матеріалу, що залишає планету. Ця динамічна взаємодія між зіркою та планетою ілюструє, що втрата атмосфери може бути не стабільним чи однорідним процесом навіть у більш зрілих планет. Навпаки, ми спостерігаємо безперервну боротьбу, інтенсивність якої визначається як властивостями планети, так і «настроєм» її зірки.
Наші висновки та дані інших досліджень доводять, що фотовипаровування може пояснити як явище радіусної прогалини, так і пустелю гарячих Нептунів, оскільки можна спостерігати процес втрати маси в реальному часі. На певній орбітальній відстані планетам потрібна мінімальна маса, щоб утримати свою атмосферу під впливом високоенергетичного випромінювання зірки. Явище радіусної прогалини розмежовує масивні планети від тих, що занадто малі для повноцінного формування в «обіймах» своєї материнської зірки. Явище пустелі гарячих Нептунів є прикладом того, як ця концепція поглиблюється, коли планета наближається до зірки, а зоряне випромінювання зростає в геометричній прогресії. На достатній відстані від зірки тільки гарячі Юпітери мають масу, необхідну для утримання атмосфери, – всі інші планети втрачають її, оголюючи скелясте ядро.
Наступне десятиліття має стати цікавим етапом для вдосконалення нашого розуміння «демографії» планет. Хоча більшість астрономів сходяться на думці, що втрата атмосфери є основною причиною того, чому ми не знаходимо планети трохи більші за Землю або гарячі Нептуни на близьких до зірок орбітах, та все ж багато нюансів залишаються неясними. Чи є фотовипаровування, викликане випромінюванням зірки, основним чинником? Або ж більшу роль відіграє втрата маси, що викликана внутрішнім нагріванням планети? Щоб розібратися у впливі цих процесів, потрібні телескопи та прилади нового покоління, здатні точно вимірювати масу, склад і атмосферу планет.
Ми сподіваємося краще зрозуміти, як радіусна прогалина залежить від типу зірки. Для зірок з малою масою, таких як карлики класу M, радіусна прогалина, здається, зміщується – менші планети навколо цих зірок частіше зберігають атмосферу, оскільки вони піддаються впливу не такого потужного випромінювання. Радіусна прогалина у таких випадках зазвичай менш виражена, оскільки зірки з малою масою випромінюють інший тип випромінювання, ніж великі зорі. Планети навколо цих зірок також мають значно різноманітніший склад ядра, і в таких системах може спостерігатися підвищена ймовірність великих планетарних зіткнень.
Планети навколо карликових зірок типу M також, як правило, обертаються на значно нижчих орбітах, де зоряна активність, зокрема спалахи та вітри, може істотно руйнувати атмосферу. Ретельне вивчення цих світів дало підстави припустити, що на деяких з них може бути значна кількість води, імовірно, глибокі океани під атмосферою насиченою воднем. Ці океанічні світи дуже вирізняються серед інших подібних за розміром планет. Їх існування ставить під сумнів прості моделі скелястих суперземель та газових міні-нептунів.
Нові наземні інструменти, такі як Keck Planet Finder, який нещодавно запрацював в обсерваторії Кека, та інші високоточні інструменти для вимірювання радіальної швидкості, матимуть вирішальне значення для перевірки цих теорій. Завдяки можливості вимірювати масу планет для широкого діапазону типів зірок, можна визначити, чи відповідає маса суперземель і субнептунів прогнозам різних моделей. У багатопланетних системах такі дані можуть допомогти з’ясувати вплив випромінювання зорі впродовж мільйона років, що дасть змогу дослідникам порівняти планети, які утворилися в подібних умовах.
Місія NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite здійснює розширений моніторинг, що дає змогу виявити планети з дещо вищими орбітами, ніж у більшості знайдених екзопланет. Заповнюючи цю прогалину в знанні про малі екзопланети з довшими орбітальними періодами, ці відкриття нададуть важливі дані для розуміння впливу від втрати атмосфери та її хімічного складу на різноманітні середовища на планетах.
Значний прогрес очікується після початку роботи великих телескопів у найближчі десятиліття. Наземні супертелескопи, наприклад Extremely Large Telescope (з англ. – «Надзвичайно великий телескоп») Європейської південної обсерваторії, мають запрацювати наприкінці 2020-х років. Ці інструменти будуть ідеально підходити для спостереження за молодими, яскравими планетами, які ще випромінюють енергію на ранніх етапах свого формування. Використовуючи такі гігантські телескопи, можна отримати важливу інформацію про хаотичні ранні етапи еволюції планет, коли атмосфера найбільш вразлива до втрат.
Habitable Worlds Observatory (з англ. – «Обсерваторія придатних для життя світів») – це флагманський космічний телескоп NASA, запуск якого заплановано на 2040-ті роки. Він розробляється для виявлення та вивчення планет, схожих на Землю, у зонах придатності для життя навколо зірок, схожих на Сонце. Мета полягає в тому, щоб за допомогою обсерваторії напряму знімати ці світи та аналізувати їх атмосфери, шукаючи ознаки кисню, метану та водяної пари – ключових показників придатності для життя.
Те, що ми дізнаємося завдяки всім цим новим інструментам, виходить далеко за межі «планетарної демографії». Досліджуючи процес втрати або збереження атмосфери, ми розкриваємо секрети придатних до життя світів, їх різноманітності та процесів, що впливають на формування світів у галактиці.
Наша Сонячна система, яка колись вважалася зразком для всіх планетних систем, тепер є лише одним із безлічі можливих варіантів – унікальною композицією у космосі, що рясніє різноманітністю. Більшість зірок мають планети, які не схожі на жодну з тих, що бачимо у нашій системі, нагадуючи нам, що Всесвіт багатший і дивовижніший, ніж ми собі уявляємо. Вивчаючи сили, що формують ці далекі світи, ми наближаємося до відповіді на найдавніші питання людства: наскільки поширені планети, схожі на Землю? Чи існує інше життя серед зірок? І що насправді означає наше місце у цьому величезному і складному Всесвіті?