Мы уже рассказывали об открытии экзопланет и основных методах их поисков. Сегодня поговорим о наиболее необычных внесолнечных мирах, найденных астрономами.
Горячие юпитеры
Для начала — об устройстве нашей Солнечной системы. Первыми вблизи Солнца расположились четыре каменные планеты, далее следует пояс астероидов, затем два газовых гиганта, два ледяных гиганта, а за ними распростерлись регионы, заполненные ледяными телами и кометами. Астрономы упрощенно объясняли этот порядок следующим образом: когда наше Солнце только формировалось, его излучение оттолкнуло легкие элементы вроде водорода и гелия от себя подальше. В результате рядом с нашим светилом остались более тяжелые элементы, из которых образовались каменные планеты, а газовые гиганты, соответственно, сформировались на значительном удалении от него.
Однако уже первая открытая в 1995 году «полноценная» экзопланета поставила под сомнение всю описанную выше схему. Дело в том, что орбита этого газового гиганта проходит на расстоянии всего в несколько миллионов километров от своей звезды. А вот тот же Меркурий никогда не подбирается к Солнцу ближе, чем на 48 млн км.
Достаточно быстро стало понятно, что это не исключение и подобные экзопланеты весьма распространены в Млечном пути. Для их обозначения обычно используется термин горячие юпитеры.
Горячие юпитеры обладают одними из наиболее экстремальных известных нам условий. Их атмосферы разогреты до колоссальных температур, составляющих многие сотни, а то и тысячи градусов, чему позавидовали бы даже некоторые звезды. Рекорд пока что удерживает газовый гигант KELT-9b, чья температура достигает 4300 °С. В то время как температура поверхности, скажем, Проксимы Центавра составляет 2700 °С. А поскольку горячие юпитеры находятся в приливном захвате и всегда повернуты к светилу одной и той же стороной, между их дневным и ночным полушариями дуют ураганные ветра.
Кроме того, такие миры отличаются очень экзотическим составом своих газовых оболочек. У того же KELT-9b, к примеру, в атмосфере найдены атомы железа и титана. На ночной стороне они, скорее всего, конденсируются в облака, из которых проливаются металлические дожди. А на газовом гиганте HAT-P-7b, предположительно, сыплются дождем рубины и сапфиры.
Происхождение горячих юпитеров пока что остается предметом научных дискуссий. Согласно довольно популярной гипотезе, такие миры изначально формируются на значительно большем расстоянии от звезды, но под действием гравитационных неустойчивостей затем мигрируют к центру системы. В то же время некоторые ученые допускают, что горячие юпитеры могли сформироваться прямо на своих нынешних орбитах путем аккреции материала из протопланетного диска на массивные каменные тела, которые сыграли роль их ядра.
Лавовые миры
Помимо горячих юпитеров, в нашей галактике найдены и каменные экзопланеты, чьи орбиты проходят на таком небольшом расстоянии от звезды, что их поверхность (по крайней мере, дневная сторона) представляет собой океан лавы.
Хрестоматийным примером такого мира является CoRoT-7b. Орбита этой экзопланеты пролегает на расстоянии всего 2,5 млн км от звезды. Из-за этого ее дневное полушарие разогрето до значения в 2500 °C, что сопоставимо с температурой уже упомянутой Проксимы Центавра. Это выше точки плавления железа и большинства известных минералов, поэтому освещенная сторона CoRoT-7b, очевидно, выглядит сплошным гигантским лавовым океаном.
Что касается ночной стороны, то там прохладнее (разумеется, по меркам этого мира), и должна существовать твердая поверхность. Однако колоссальный нагрев дневной стороны все равно дает о себе знать. Дело в том, что испаряющаяся из лавового океана горная порода, скорее всего, переносится в виде паров на ночное полушарие, где затем конденсируется и выпадает в виде постоянного каменного дождя.
Суперземли и мининептуны
Если посмотреть на характеристики планет Солнечной системы, можно обратить внимание на довольно заметный «разрыв» между Землей и Ураном. Масса последнего в 14,5 раза превышает массу нашей планеты. В нашей Солнечной системе нет тел, находящихся в диапазоне между этими двумя объектами. Но зато они встречаются у других звезд. Для их обозначения используют термины суперземли и мининептуны.
Суперземлями называют каменные экзопланеты, чья масса больше земной. Длительное время считалось, что их радиусы не могут превышать значение в 1,6 радиуса Земли. Однако недавно астрономы нашли суперземлю-рекордсмена (она известна под обозначением TOI-1075b), позволившую несколько поднять эту планку. Ее радиус в 1,8 раза больше, а масса в 10 раз превосходит массу нашей планеты.
Мининептуны — это тела, имеющие скалистые ядра, окруженные обширной мантией, состоящей из легких веществ. Например, льда, воды, аммиака или их смеси. Астрономы допускают, что некоторые из мининептунов — это гигантские планеты-океаны, подобные планете Солярис из одноименного романа Станислава Лема.
Что касается физических характеристик мининептунов, их радиусы лежат в диапазоне от 1,7 до 4 радиусов Земли. Экзопланеты большего размера обычно представляют собой уже или ледяные, или газовые гиганты вроде тех, что можно встретить в Солнечной системе.
Экзопланеты-татуины
Наше Солнце является одиночной звездой. Но примерно половина светил во Вселенной обзавелись компаньонами. Еще не так давно астрономы вели ожесточенные споры по поводу того, могут ли такие системы обладать собственными экзопланетами. Многие ученые считали, что из-за гравитационного воздействия сразу двух звезд они либо не смогут сформироваться, либо будут достаточно быстро выброшены за пределы своей системы.
Теперь мы знаем, что подобные представления были ошибочными. Конечно, планеты у одиночных звезд встречаются намного чаще, но их присутствие в двойных системах — тоже далеко не уникальный случай. Астрономам уже известно о нескольких десятках таких миров. Некоторые обращаются вокруг одной из звезд системы, другие — вокруг пары. Более того, астрономам удалось отыскать экзопланеты в системах с тремя и даже с четырьмя звездами. В качестве примера последней можно привести газовый гигант PH1 b, который обращается вокруг одной из двух пар звезд, составляющих систему Kepler-64.
Фантастические фильмы приучили нас к тому, что экзопланеты в кратных звездных системах должны походить на выжженные пустыни, подобные знаменитому Татуину из «Звездных войн». Но это вовсе не обязательно. На самом деле, при наличии подходящей орбиты и атмосферы, такое тело может иметь вполне приемлемые для возникновения жизни условия. Просто с несколько иным небом, нежели на нашей Земле.
Планеты-изгои
Полная противоположность экзопланет-татуинов — так называемые свободнолетающие планеты, также именуемые планетами-изгоями. Это объекты, которые не обращаются вокруг какой-либо конкретной звезды.
На данный момент у астрономов совсем немного информации о планетах-изгоях. И это вполне закономерно, поскольку такие тела крайне сложно найти. Для поиска свободнолетающих планет абсолютно бесполезны как транзитный метод, так и метод радиальных скоростей.
Основная часть известных нам планет-изгоев была найдена путем прямого фотографирования. Все обнаруженные подобным образом объекты — недавно сформировавшиеся массивные тела, которые все еще разогреты до высоких температур и испускают большое количество инфракрасного излучения.
А что насчет более старых и меньших по размеру изгоев? В 2020 году астрономы сообщили об обнаружении свободнолетающей планеты OGLE-2016-BLG-1928, чья масса сопоставима с массой Земли. Она была найдена посредством метода гравитационного микролинзирования.
Скорее всего, OGLE-2016-BLG-1928 — это лишь верхушка айсберга. По разным оценкам, на каждую звезду Млечного пути приходится от 100 до 100 000 аналогичных планет-изгоев.
Да и откуда вообще берутся такие тела? Согласно превалирующей точке зрения, подавляющее большинство из них раньше входили в состав звездных систем и затем были выброшены в межпланетное пространство в ходе различных гравитационных пертурбаций. Наша Солнечная система, вероятно, тоже внесла определенный вклад в пополнение популяции блуждающих миров. Результаты компьютерного моделирования свидетельствуют, что на заре своего существования в ее состав могли входить не четыре, а пять планет-гигантов, одна из которых затем была «выброшена».
Впрочем, справедливости ради стоит заметить, что астрономы также допускают, что некоторые планеты-изгои могли никогда и не входить в состав каких-либо звездных систем и образовались самостоятельно при коллапсе газопылевых облаков.
Компактные системы
Еще одно интересное открытие астрономов заключается в том, что многие экзопланетные системы значительно компактнее нашей. Если несколько упростить, можно сказать, что в Солнечной системе расстояние между каждой последующей планетой примерно удваивается. Однако уже найдено довольно много систем, в которых находится по пять, шесть и даже больше планет — и при этом их орбиты могли бы легко поместиться внутри орбиты того же Меркурия.
Классический пример такой системы — TRAPPIST-1. Она состоит из красного карлика, вокруг которого вращаются как минимум семь каменных экзопланет. Их орбиты лежат в промежутке шириной чуть больше 7 млн км. Поэтому, стоя на поверхности любой из семи экзопланет TRAPPIST-1, наблюдатель смог бы увидеть на небе все остальные, и вероятнее всего, разглядеть их основные геологические достопримечательности невооруженным глазом. В нашей же Солнечной системе расстояние между первыми семью планетами составляет 2,8 млрд км, то есть в 400 раз больше.
Другим любопытным примером является система Kepler-90. Она состоит из желтого карлика и восьми экзопланет, чьи орбиты лежат в промежутке, приблизительно соответствующем расстоянию между Солнцем и Землей.
Вопрос, как именно столь компактные системы умудряются сохранять стабильность, тоже остается предметом дискуссий. Ведь объекты в них подвергаются намного более сильным гравитационным воздействиям со стороны соседей, нежели планеты нашей Солнечной системы. Скорее всего, одна из причин устойчивости той же TRAPPIST-1 заключается в том, что ее экзопланеты состоят друг с другом в орбитальных резонансах. Это значит, что периоды их обращения вокруг звезды относятся друг к другу как целые числа. В случае с TRAPPIST-1 они составляют 8:5, 5:3, 3:2, 3:2, 4:3 и 3:2. Иными словами, пока первая экзопланета системы делает восемь оборотов вокруг звезды, вторая успевает сделать ровно пять, и так далее.
Насколько уникальна Солнечная система?
Все вышеописанные примеры подводят нас к закономерному вопросу, который можно сформулировать следующим образом: насколько типична или нетипична Солнечная система по сравнению с другими звездными системами?
Сразу стоит сделать важную оговорку. Современные методы обнаружения экзопланет лучше всего подходят для выявления массивных тел, находящихся на небольшом расстоянии от звезды и имеющих малый период обращения. Намного проще найти горячий юпитер, который совершает транзиты по диску своей звезды раз в неделю, чем раз в двадцать лет. Поэтому наблюдаемую астрономами картину никак нельзя назвать полной. Конечно, по мере улучшения точности наблюдений и ввода в строй новых телескопов они постепенно находят недостающие кусочки головоломки, но все равно очень многие моменты пока что ускользают от их взора.
В любом случае, 5000 подтвержденных на сегодняшний день экзопланет — это уже довольно значительная цифра, позволяющая сделать некоторые предварительные выводы. И, если говорить осторожно, то, с одной стороны, можно отметить, что наша Солнечная система подчиняется всем базовым правилам, по которым устроены другие звездные системы. Да, в ней нет горячих юпитеров или суперземель, но все ее основные элементы похожи на то, что удалось найти астрономам у других звезд.
С другой стороны, с точки зрения общей конфигурации планет Солнечная система все же заметно отличается от большинства известных на сегодняшний день экзопланетных систем. Основная причина тут в связке Юпитер — Сатурн. Эти газовые гиганты очень удачно балансируют друг друга, не препятствуя началу процесса сближения с Солнцем. Это обеспечивает долговременную стабильность Солнечной системы. Не исключено, что многие из известных нам систем изначально имели значительную популяцию внутренних каменных миров, которые в дальнейшем были уничтожены в ходе миграции газовых гигантов, впоследствии превратившихся в горячие юпитеры.
Еще одна важная отличительная особенность Солнечной системы заключается в том, что орбиты всех ее планет близки к круговым и лежат в одной плоскости. Одновременно орбиты многих известных экзопланет характеризуются большим эксцентриситетом. Более того, ученым уже удалось найти тела, которые обращаются вокруг своих звезд по полярным орбитам. Опять же, считается, что основной фактор, обеспечивший нашей Солнечной системе столь удачную для развития жизни на Земле конфигурацию орбит — это стабилизирующее влияние связки из Юпитера с Сатурном.
Разумеется, стоит иметь в виду, что расположение Юпитера и Сатурна само по себе не является чем-то уникальным. Текущие оценки исследователей говорят о том, что, как правило, экзопланеты-гиганты имеют тенденцию располагаться в промежутке между 1 и 10 а.е. (150–1500 млн км) от своей звезды. Для сравнения, орбита Юпитера расположена на расстоянии 5 а.е. от Солнца, Сатурна — в 9 а.е. Так что итоговый облик звездной системы будет зависеть от сочетания множества разнообразных факторов. И если изменить любой из них — она может преобразиться до неузнаваемости.
Естественно, с каждым годом возможности астрономов по изучению внесолнечных миров значительно увеличиваются. А это значит, что впереди нас ждет еще много интересных находок. Скорее всего, астрономы обнаружат еще множество систем, абсолютно не похожих на нашу Солнечную, а также системы, которые можно будет назвать ее полноценными двойниками.