Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Но самое необычное в этой системе — свойства присутствующей в ней суперземли 55 Рака e. Как и остальные планеты, 55 Рака e была обнаружена методом измерения колебаний лучевой скорости звезды. В 2011 г. также удалось зафиксировать прохождение суперземли по диску звезды с помощью космического телескопа NASA «Спитцер». И вот еще одно «впервые» для этой планетной системы: звезду 55 Рака можно наблюдать невооруженным глазом; а значит, прохождение ближайшей к ней планеты стало первым зафиксированным случаем прохождения по диску звезды, которую можно увидеть без телескопа. Проведенные измерения радиуса и угла наклона орбиты позволили определить массу планеты. Выяснилось, что эта суперземля на 20% больше Земли при радиусе, равном 2,2 радиуса нашей планеты. В очередной раз исследователи получили результат, который казался совершенно абсурдным.

Вычислить плотность 55 Рака e при наличии массы и радиуса не составило труда — она равна 4 г/см 3. Учитывая радиус, следовало бы предположить, что планета является мини-нептуном [11] В главе 6 мы упоминали выведенное эмпирическим путем правило, согласно которому при радиусе свыше 1,5 радиуса Земли планета, скорее всего, является газовой, а не каменистой. . Но полученное значение плотности было слишком большим для газового мира с обширной водородно-гелиевой атмосферой. Плотность мини-нептуна с массой, равной 8 массам Земли, не должна превышать 1,3 г/см 3. С другой стороны, при такой массе планета с твердой внутренней частью, как у Земли, также не может иметь плотность 4 г/см 3. Хотя плотность Земли в среднем приближается к 5,5 г/см 3, на планете с массой, которая в 8 раз больше, горные породы должны сжаться до значения свыше 8,5 г/см 3. Таким образом, 55 Рака e была слишком мала для газового мира и слишком велика для каменистого. Чем же она была на самом деле?

Если эта суперземля является планетой с твердой оболочкой, она должна состоять из тех же элементов, что и планеты земной группы. То есть основными ее составляющими должны быть железо и силикаты. Минимальный возможный размер при такой массе будет иметь планета, в составе которой не будет ничего, кроме железа. В планете максимального размера железа не будет совсем — его заменят более легкие силикатные породы. Обе крайности маловероятны. Учитывая, что элементы планет земного типа конденсируются в твердые породы практически при одной и той же температуре, все они принимают участие в формировании планеты. Например, 30% массы Меркурия — нашей самой горячей и богатой железом планеты — до сих пор приходится на мантию из силикатных пород. Но, даже если допустить возможность реализации самых маловероятных сценариев, все равно результат будет меньше, чем у 55 Рака e.

А что, если отказаться от деления на землеподобные и газовые планеты и остановиться на идее гибридного мира — может быть, тогда удастся увязать радиус 55 Рака e с ее массой? У такой планеты должно быть твердое ядро значительно большего размера, чем у Земли. Также она должна быть способна удержать первичную толстую водородно-гелиевую атмосферу. Учитывая малый вес газов, даже при массе атмосферы в 0,1% массы планеты мы можем получить мир с плотностью, соответствующей плотности 55 Рака e.

Гипотеза о 55 Рака e как о гибридной планете могла бы стать идеальным ответом на вопрос о ее природе, если бы не невероятно короткий период обращения — всего 18 часов. Суперземля, на которой год длится меньше земных суток, обращается вокруг звезды на расстоянии всего 0,016 а.е. Из-за близости к раскаленному ядерному реактору средняя температура на этой планете, как предполагают, составляет около 2000 °C. В условиях адской жары массы планеты вряд ли хватит, чтобы не дать улетучиться легкой водородно-гелиевой атмосфере. Она выгорит за пару миллионов лет, что не так уж и много по меркам планетной эволюции. Поэтому нам вряд ли удастся увидеть 55 Рака e в тот период, когда она еще была окружена первичной газовой оболочкой.

Итак, об атмосфере, как у Нептуна, не может быть и речи. Вопрос: какой другой элемент рыхлее твердых пород, но при этом обладает достаточной массой, чтобы планета могла удержать его? Ответ: вода, вернее, крайне необычное состояние воды.

Если допустить, что изначально 55 Рака e сформировалась за снеговой линией, в момент рождения в ее составе должно было быть большое количество льда. После того как в процессе миграции к звезде ее атмосферу покинули водород и гелий, вокруг твердого ядра планеты должна была остаться оболочка из водяных паров толщиной в тысячи километров. Идея о том, что планета, обращающаяся по орбите в непосредственной близости от горнила своей звезды, может быть покрыта водой, кажется более чем странной. Разумеется, вода на такой планете не может иметь ничего общего с той прохладной жидкостью, которая течет из крана на нашей кухне. Имеющаяся на 55 Рака e вода должна пребывать в крайне редком состоянии, называемом сверхкритическим.

Переход в состояние сверхкритической жидкости происходит при очень высоких значениях температуры и давления. Например, ракетное топливо переходит в сверхкритическую фазу в момент выброса из сопел стартующего космического корабля. В такой форме граница между жидкостями и газами размывается, и вещество оказывается где-то между этими двумя состояниями. На планете с подобными характеристиками невозможно понять, где проходит граница между океанами и небом. Если бы мы решили отправиться туда и сумели выжить, мы бы оказались в подвешенном состоянии где-то в толще сверхкритического тумана.

Раскаленный мир с годом продолжительностью 18 часов в оболочке из жидкообразного газа, обращающийся по орбите, которая медленно опрокидывается, — можно ли придумать что-то более странное? Но есть еще одно, даже более странное, объяснение состава 55 Рака e: сверхкритичная вода тут ни при чем — возможно, эта суперземля полна алмазов.

Несмотря на сходство в размерах, по составу звезда 55 Рака не похожа на наше Солнце: полагают, что она богата углеродом. Звезды вплоть до преклонного возраста состоят главным образом из водорода и гелия с микроскопическими вкраплениями других элементов — углерода, кислорода, магния, кремния и железа. Углерода в составе Солнца примерно вдвое меньше, чем кислорода. Эту особенность, как правило, выражают в виде соотношения между элементами: C/O = 0,5. Проведенные в 2010 г. наблюдения показали, что, в отличие от Солнца, углерода в составе 55 Рака немного больше, чем кислорода: C/O = 1,12. Различия в составе звезд имеют большое значение, поскольку указывают на различия в составе протопланетных дисков, материал которых должен был быть таким же, как у звезд. Б о льшая доля углерода в составе звезды может указывать на то, что участвовавшие в формировании планет частицы пыли также были богаты углеродом. Миры из такого материала могут сильно отличаться от планет земной группы.