Татьяна Пичугина. Среди уже известных экзопланет больше всего субнептунов — как правило, они в два с половиной раза крупнее Земли, расположены очень близко к родительским звездам и подвержены их жесткому излучению. Тем не менее у них сохранились остатки первичной атмосферы — в том числе из паров воды. Недавно ученые предположили, что на поверхности таких планет формируются океаны — а значит, нельзя исключать появления жизни.
Парадокс с атмосферой
Примерно четыре тысячи экзотических планет открыто сейчас в далеких системах, совсем не похожих на Солнечную. У нас есть каменистые Меркурий, Венера, Земля и Марс, газовые Юпитер и Сатурн, ледяные гиганты Уран и Нептун, а также пояс астероидов. Большинство экзопланет — переходные типы между каменистыми и гигантами, которых нет в нашей системе.
“Данные наблюдений показывают: экзопланеты, чей радиус равен от одного до четырех земных, очень многочисленны, а в Солнечной системе между этими крайними значениями — провал”, — говорит Валерий Шематович, заведующий отделом исследований Солнечной системы Института астрономии РАН.
Еще одна странность — экзопланеты очень близки к своим звездам: периоды их обращения не превышают ста дней, а чаще ограничиваются десятками. Для сравнения: у Меркурия — 88 суток.
У многих звезд — компактные планетные системы, где объекты расположены на сходных орбитах. Все они испытывают сильное воздействие звездных ветров и были бы буквально стерильными, если бы не атмосферы. Как они там сохранились — эту загадку пытаются разгадать многочисленные исследовательские группы.
“Согласно теории формирования систем, все начинается с протопланетного облака из легких газов — молекулярного водорода и гелия, пылевой фракции и большого количества водяного льда. Близко к звезде большое силикатное ядро планеты образоваться просто не успевает — лед быстро испаряется. Но за так называемой линией снега, где излучение молодой звезды не такое сильное, формируются более массивные ядра. Они притягивают окружающий газ, накапливают первичную атмосферу и становятся газовыми гигантами”, — объясняет ученый.
Как выглядит правильный нептун
Обычно в системе — несколько планет-гигантов, которые конкурируют между собой за газ, динамически воздействуют на другие тела и мигрируют к родительской звезде. Она, молодая и активная, встречает их жестким ультрафиолетовым излучением, вспышками, выбросами плазмы — и сдирает первичные газовые оболочки. Но очень массивные объекты удерживают эти оболочки — частично или целиком. А затем, по мере сокращения орбиты, превращаются в горячие юпитеры.
Планеты поменьше теряют атмосферу активнее, иногда — полностью. Среди них выделяются две самые многочисленные популяции. Первая — с радиусами, равными или чуть больше земного, это так называемые суперземли. Вторая — с радиусами в два-четыре земных: представители этой группы известны как субнептуны. То есть они меньше нашего Нептуна, который, в свою очередь, в четыре раза больше Земли.
Между ними — так называемое ущелье фотоиспарения, или деление Фултона — по имени автора статьи, впервые представившего данные о двух пиках в распределении экзопланет по радиусам и массам. Сегодня ученые считают, что фотоиспарение жестким излучением молодой родительской звезды, а также сдирание газовой атмосферы планеты звездным ветром во время миграции — самые вероятные механизмы образования вторичных атмосфер суперземель и субнептунов.
Известно, что на стадии формирования каменистое ядро субнептунов плавится из-за гравитационного сжатия — и на его поверхности зарождается магматический океан.
“Он играет важную роль: это дополнительный механизм потери первичной атмосферы, которая бывает легкая — водородно-гелиевая и тяжелая — из паров воды. При быстрой миграции из-за линии снега легкая атмосфера может потеряться полностью. Тяжелая — частично, и тогда возникает океан. Считается, что вода в нем присутствует во всех состояниях — лед, жидкость и пары. Плотность такой планеты больше, чем у субнептунов с частично сохранившейся легкой атмосферой из водорода и гелия”, — рассказывает Валерий Шематович.
В прошлом году космический телескоп TESS открыл у звезды TOI-270 одну суперземлю (TOI-270 b) и два субнептуна (TOI-270 c и TOI-270 d). Это самые маленькие и тесно расположенные экзопланеты, обнаруженные методом транзита — при наблюдении за прохождением объектов на фоне родительской звезды.
Оба субнептуна, по всей видимости, наполовину состоят из водяного льда. Правда, TOI-270 c — очень горячий, а TOI-270 d — умеренный, но слишком массивный, чтобы образовать океан. К тому же из-за парникового эффекта там теряется много воды. Однако, отмечают авторы работы, родительская звезда — красный карлик TOI-270 — неактивна: вряд ли она стерилизует свои планеты. При этом она достаточно яркая, так что в окрестностях следует искать зону обитаемости — орбиты, позволяющие каменистым планетам иметь жидкую воду на поверхности.
Солнечная система — пока единственная из известных, где есть жизнь. Однако у красных карликов зона обитаемости может располагаться гораздо ближе — эти звезды не такие массивные и горячие, как наше Солнце.
“Если мы наблюдаем атмосферу и знаем ее свойства, то можем уточнить параметры самой планеты, построить гипотезы об истории ее образования. А самое главное — начать поиск маркеров, указывающих на физические и химические условия для возникновения жизни”, — рассуждает Шематович.
Он приводит в пример Венеру, интерес к которой пробудился в последние годы. На ее поверхности очень жарко — около 460 градусов, там высокое давление и ядовитая атмосфера. Но, как оказалось, на высоте примерно 70 километров в серных облаках есть среда, приемлемая для выживания простейших микробов земного типа.
“Там обнаружены пары воды и химическое разнообразие, туда поступает излучение Солнца — и ничто не мешает появлению жизни. Недаром NASA и “Роскосмос” возродили планы полета к Венере. Ищут следы жизни и на Марсе — только не на поверхности, а внутри. В этом году стартовали сразу три миссии. Например, марсоход NASA Perseverance с буровой установкой возьмет образцы грунта на глубине до двух метров”, — отмечает астрофизик.
Вместе с коллегами в недавно созданной лаборатории исследования звезд с экзопланетами он изучает эволюцию открытой несколько лет назад космическим телескопом “Хаббл” атмосферы теплого нептуна Gliese 436 b.
“Удалось измерить параметры, построить модель и оценить скорость, с которой она теряется. По всей видимости, планета довольно стабильна — и где-то в глубине ее атмосферы, сильно раздутой из-за звездного излучения, есть пары воды. Если мы увидим химическое разнообразие, значит, могут быть и сложные структуры, без которых невозможно формирование предбиотических соединений”, — подчеркивает ученый.
Из-за особенностей расположения и очень коротких орбит субнептуны легче всего исследовать, набирать статистику, а затем строить модели и проверять их. Специалисты из ИНАСАН рассматривают эти небесные тела как плацдарм для изучения других объектов — планет-океанов и суперземель. Те больше похожи на нашу Землю, а значит, перспективнее с точки зрения астробиологии и поиска биомаркеров.
