Ми вже розповідали про відкриття екзопланет та основні методи їхніх пошуків. Сьогодні поговоримо про найбільш незвичайні позасонячні світи, знайдені астрономами.
Гарячі юпітери
Спочатку — про влаштування нашої Сонячної системи. Першими поблизу Сонця розмістилися чотири кам’яні планети, далі слідує пояс астероїдів, потім два газові гіганти, два крижані гіганти, а за ними простираються регіони, заповнені крижаними тілами і кометами. Астрономи спрощено пояснювали цей порядок так: коли наше Сонце лише формувалося, його випромінювання відштовхнуло легкі елементи на кшталт водню і гелію від себе подалі. В результаті поряд із нашим світилом залишилися важчі елементи, з яких утворилися кам’яні планети, а газові гіганти, відповідно, сформувалися на значній відстані від нього.
Проте вже перша відкрита у 1995 році “повноцінна” екзопланета поставила під сумнів усю описану вище схему. Річ у тім, що орбіта цього газового гіганта проходить на відстані лише кількох мільйонів кілометрів від своєї зорі. Водночас, скажімо, Меркурій ніколи не підбирається до Сонця ближче ніж на 48 млн км.
Досить швидко стало зрозуміло, що це не виняток і подібні екзопланети доволі поширені в Чумацькому шляху. Для їхнього позначення зазвичай використовується термін гарячі юпітери.
Гарячі юпітери мають одну з найбільш екстремальних відомих нам умов. Їхні атмосфери розігріті до колосальних температур, що становлять багато сотень, а то й тисячі градусів, чому позаздрили б навіть деякі зорі. Рекорд поки що утримує газовий гігант KELT-9b, температура якого сягає 4300 °С. Для порівняння, температура поверхні Проксими Центавра становить 2700 °С. А оскільки гарячі юпітери перебувають у припливному захопленні і завжди повернені до світила однією й тією ж стороною, між їхньою денною та нічною півкулями дмуть ураганні вітри.
Крім того, такі світи відрізняються дуже екзотичним складом своїх газових оболонок. У того ж KELT-9b, наприклад, в атмосфері знайдено атоми заліза та титану. На нічному боці вони, найімовірніше, конденсуються в хмари, з яких проливаються металеві дощі. А на газовому гіганті HAT-P-7b, вірогідно, сиплються дощем рубіни та сапфіри.
Походження гарячих юпітерів поки що залишається предметом наукових дискусій. Згідно з досить популярною гіпотезою, такі світи спочатку формуються на більшій відстані від зорі, але під дією гравітаційних нестійкостей згодом мігрують до центру системи. Водночас деякі вчені припускають, що гарячі юпітери могли сформуватися прямо на своїх нинішніх орбітах шляхом акреції матеріалу з протопланетного диска на масивні кам’яні тіла, які відіграли роль їхнього ядра.
Лавові світи
Окрім гарячих юпітерів, у нашій галактиці знайдено і кам’яні екзопланети, чиї орбіти проходять на такій невеликій відстані від зорі, що їхня поверхня (принаймні, денна сторона) є океаном лави.
Хрестоматійним прикладом такого світу є CoRoT-7b. Орбіта цієї екзопланети пролягає на відстані всього 2,5 млн км від зорі. Через це її денна півкуля розігріта до значення 2500 °C, що можна порівняти з температурою вже згаданої Проксими Центавра. Це вище за точку плавлення заліза і більшості відомих мінералів, тому освітлена сторона CoRoT-7b, очевидно, є суцільним гігантським лавовим океаном.
Що стосується нічного боку, то там прохолодніше (зрозуміло, за мірками цього світу), і має бути тверда поверхня. Однак колосальне нагрівання денної сторони все одно дається взнаки. Річ у тім, що гірська порода, випаровуючись з лавового океану, найімовірніше, переноситься у вигляді пари на нічну півкулю, де потім конденсується і випадає у вигляді постійного кам’яного дощу.
Суперземлі та мінінептуни
Якщо подивитися на характеристики планет Сонячної системи, можна звернути увагу на досить помітний “розрив” між Землею та Ураном. Маса останнього в 14,5 разів перевищує масу нашої планети. У нашій Сонячній системі немає тіл, які перебувають у діапазоні між цими двома об’єктами. Але вони зустрічаються в інших зір. Для їхнього позначення використовують терміни суперземлі та мінінептуни.
Суперземлями називають кам’яні екзопланети, чия маса більша за земну. Тривалий час вважалося, що їхні радіуси не можуть перевищувати значення 1,6 радіусу Землі. Однак нещодавно астрономи знайшли суперземлю-рекордсмена (вона відома під позначенням TOI-1075b), яка дозволила дещо підняти цю планку. Її радіус в 1,8 разу більший, а маса вдесятеро перевищує масу нашої планети.
Що стосується мінінептунів, то ці тіла мають скелясті ядра, оточені великою мантією, що складається з легких речовин. Наприклад, льоду, води, аміаку чи їхніх сумішей. Астрономи припускають, що деякі з мінінептунів є гігантськими планетами-океанами, подібними до планети Соляріс з однойменного роману Станіслава Лема.
Щодо фізичних характеристик мінінептунів, їхні радіуси лежать у діапазоні від 1,7 до 4 радіусів Землі. Екзопланети більшого розміру зазвичай є вже або крижаними, або газовими гігантами на зразок тих, що можна зустріти в Сонячній системі.
Екзопланети-татуїни
Наше Сонце є одиночною зорею. Але приблизно половина світил у Всесвіті обзавелися компаньйонами. Ще недавно астрономи запекло сперечалися з приводу того, чи можуть такі системи мати власні екзопланети. Багато вчених вважали, що через гравітаційний вплив відразу двох зір вони або не зможуть сформуватися, або будуть досить швидко викинуті за межі своєї системи.
Тепер ми знаємо, що такі уявлення були помилковими. Звичайно, планети у одиночних зір зустрічаються набагато частіше, проте їхня присутність у подвійних системах — теж далеко не унікальний випадок. Астрономам уже відомо про кілька десятків таких світів. Деякі обертаються навколо однієї із зір системи, інші — навколо пари. До того ж астрономам вдалося відшукати екзопланети в системах із трьома і навіть із чотирма зорями. Як приклад останньої можна згадати газовий гігант PH1 b, який обертається навколо однієї із двох пар зір, що становлять систему Kepler-64.
Фантастичні фільми привчили нас до того, що екзопланети в кратних зоряних системах повинні бути випаленими пустелями, подібно до знаменитого Татуїна з “Зоряних воєн”. Але це зовсім необов’язково. Насправді, за наявності відповідної орбіти та атмосфери, таке тіло може мати цілком прийнятні для життя умови. Просто з дещо незвичним небом, аніж на нашій Землі.
Планети-ізгої
Повну протилежність екзопланетам-татуїнам становлять так звані вільнолітаючі планети, також іменовані планетами-ізгоями. Ці об’єкти не обертаються навколо жодної конкретної зорі.
Наразі у астрономів зовсім небагато інформації щодо планет-ізгоїв. І це цілком закономірно, оскільки такі тіла дуже складно знайти. Для пошуку вільнолітаючих планет абсолютно марні як транзитний метод, так і метод радіальних швидкостей.
Основну частину відомих нам планет-ізгоїв було знайдено шляхом прямого фотографування. Всі виявлені подібним чином об’єкти — це нещодавно сформовані масивні тіла, які все ще розігріті до високих температур і випускають велику кількість інфрачервоного випромінювання.
Але як щодо старших та менших за розміром ізгоїв? 2020 року астрономи повідомили про виявлення вільнолітаючої планети OGLE-2016-BLG-1928, чию масу можна порівняти з масою Землі. Її було знайдено методом гравітаційного мікролінзування.
Найімовірніше, OGLE-2016-BLG-1928 є лише верхівкою айсберга. За різними оцінками, на кожну зорю Чумацького шляху припадає від 100 до 100 000 аналогічних планет-ізгоїв.
І де взагалі беруться такі тіла? Згідно з превалюючою точкою зору, переважна більшість із них раніше входили до складу зоряних систем і потім були викинуті в міжпланетний простір у ході різних гравітаційних пертурбацій. Наша Сонячна система, ймовірно, теж зробила певний внесок у поповнення популяції блукаючих світів. Результати комп’ютерного моделювання свідчать, що на світанку свого існування до її складу могли входити не чотири, а п’ять планет-гігантів, одна з яких потім була “викинута”.
Звісно, задля справедливості варто зауважити, що астрономи також припускають, що деякі з планет-ізгоїв могли ніколи і не входити до складу будь-яких зоряних систем та утворилися самостійно при колапсі газопилових хмар.
Компактні системи
Ще одне цікаве відкриття астрономів полягає в тому, що багато екзопланетних систем значно компактніші за нашу. Якщо дещо спростити, можна сказати, що у Сонячній системі відстань між кожною наступною планетою приблизно подвоюється. Проте вже знайдено чимало систем, у яких перебуває по п’ять, шість і навіть більше планет — і при цьому їхні орбіти могли б легко поміститися всередині орбіти Меркурія.
Класичний приклад такої системи — TRAPPIST-1. Вона складається з червоного карлика, навколо якого обертаються щонайменше сім кам’яних екзопланет. Їхні орбіти лежать у проміжку завширшки трохи більше 7 млн км. Тож, стоячи на поверхні будь-якої з семи екзопланет TRAPPIST-1, спостерігач зміг би побачити на небі всі інші, і найімовірніше, розглянути їхні основні геологічні пам’ятки неозброєним оком. Натомість у Сонячній системі відстань між першими сімома планетами становить 2,8 млрд км, тобто в 400 разів більше.
Іншим цікавим прикладом є система Kepler-90. Вона складається з жовтого карлика та восьми екзопланет, чиї орбіти лежать у проміжку, що приблизно відповідає відстані між Сонцем та Землею.
Питання, як саме такі компактні системи примудряються зберігати стабільність, теж залишається предметом дискусій. Адже об’єкти в них зазнають набагато сильніших гравітаційних впливів з боку сусідів, аніж планети нашої Сонячної системи. Найімовірніше, одна з причин стійкості тієї ж TRAPPIST-1 — у тому, що її екзопланети перебувають у орбітальних резонансах. Це означає, що періоди їхнього обертання навколо зорі відносяться один до одного як цілі числа. У випадку з TRAPPIST-1 вони складають 8:5, 5:3, 3:2, 3:2, 4:3 та 3:2. Тобто, поки перша екзопланета системи робить вісім обертів навколо зорі, друга встигає зробити рівно п’ять, тощо.
Наскільки унікальною є Сонячна система?
Всі вищеописані приклади підводять нас до закономірного запитання, яке можна сформулювати так: наскільки типова чи нетипова Сонячна система проти інших зоряних систем?
Відразу слід зробити важливе застереження. Сучасні методи пошуку екзопланет найкраще підходять для виявлення на невеликій відстані від зорі масивних тіл з малим періодом звернення. Набагато простіше знайти гарячий юпітер, який здійснює транзити диском своєї зорі раз на тиждень, ніж раз на двадцять років. Тому картину, що спостерігають астрономи, аж ніяк не можна назвати повною. Звісно, в міру поліпшення точності спостережень і введення в дію нових телескопів вони поступово знаходять шматочки головоломки, яких бракувало, але все одно дуже багато моментів поки що вислизають від їхнього погляду.
Утім, 5000 підтверджених на сьогодні екзопланет — це вже досить значна цифра, яка дозволяє дійти деяких попередніх висновків. І, якщо говорити обережно, то, з одного боку, можна відзначити, що Сонячна система підпорядковується всім базовим правилам, за якими влаштовані інші зоряні системи. Так, у ній немає гарячих юпітерів чи суперземель, але всі її основні елементи схожі на те, що вдалося знайти астрономам у інших зір.
З іншого боку, з точки зору загальної конфігурації планет Сонячна система все ж таки помітно відрізняється від більшості відомих на сьогодні екзопланетних систем. Основна причина тут у зв’язці Юпітер — Сатурн. Ці газові гіганти дуже вдало балансують один одного, не перешкоджаючи початку процесу зближення із Сонцем. Це забезпечує довготривалу стабільність Сонячної системи. Не виключено, що багато відомих нам систем спочатку мали значну популяцію внутрішніх кам’яних світів, які надалі були знищені в ході міграції газових гігантів, що згодом перетворилися на гарячі юпітери.
Ще одна важлива відмінність Сонячної системи полягає в тому, що орбіти всіх її планет близькі до кругових і лежать в одній площині. Одночасно орбіти багатьох відомих екзопланет вирізняються великим ексцентриситетом. Ба більше, вченим уже вдалося знайти тіла, які обертаються навколо своїх зір полярними орбітами. Знову ж таки, вважається, що основний фактор, який забезпечив нашій Сонячній системі таку вдалу для розвитку життя Землі конфігурацію орбіт — стабілізуючий вплив зв’язки Юпітера з Сатурном.
Однак варто зважати, що розташування Юпітера і Сатурна саме по собі не є унікальним. Поточні оцінки дослідників свідчать, що, як правило, екзопланети-гіганти мають тенденцію розташовуватися в проміжку між 1 і 10 а.о. (150-1500 млн км) від своєї зорі. Так, орбіта Юпітера розташована на відстані 5 а.о. від Сонця, Сатурна — за 9 а.о. Отже, підсумковий вигляд зоряної системи залежатиме від поєднання безлічі різноманітних чинників. І якщо змінити будь-який із них — вона може перетворитися до невпізнанності.
У будь-якому разі з кожним роком можливості астрономів щодо вивчення позасонячних світів значно збільшуються. А це означає, що попереду на нас чекає ще багато цікавих знахідок. Найімовірніше, астрономи розшукають ще безліч систем, абсолютно не схожих на нашу Сонячну, а також системи, які можна буде назвати її повноцінними двійниками.
