Негазовый гигант с массой в 73 раза больше массы Земли ставит в тупик своих первооткрывателей — Ars Technica

Ученые работали над моделями формирования планет еще до того, как мы узнали о существовании экзопланет. Эти модели изначально основывались на свойствах планет нашей солнечной системы и показали себя удивительно хорошо при учете экзопланет, не имеющих аналогов в нашей солнечной системе, таких как суперземли и горячие Нептуны. Добавьте к этому способность планет двигаться благодаря гравитационным взаимодействиям, и свойства экзопланет обычно можно принять во внимание.

Сегодня большая международная группа исследователей объявляет об открытии того, что наши модели не могут объяснить. По размеру он примерно равен Нептуну, но примерно в четыре раза больше. Его плотность — намного выше, чем у железа — соответствует тому, что вся планета почти полностью твердая или имеет океан, достаточно глубокий, чтобы затопить целые планеты. Хотя люди, открывшие его, выдвигают две теории его образования, ни одна из них не является особенно вероятной.

странно, странно

Изучение новой планеты началось так же, как многие делают сейчас: она была идентифицирована как объект интереса спутником Transiting Exoplanet Survey (TOI, от TESS Object of Interest). TOI-1853 — звезда несколько меньше нашего Солнца, с массой около 0,8 раза. Были явные признаки присутствия близлежащей планеты, которая теперь называется TOI-1853 b. Планета вращается близко к своей родительской звезде, совершая полный оборот за 1,24 дня.

Исследователи использовали это время, чтобы определить расстояние, на котором вращалась планета. Основываясь на сочетании этого расстояния, размера звезды и количества света, блокируемого планетой, можно оценить размер планеты. Оказывается, это примерно в 3,5 раза больше радиуса Земли, а это значит, что он лишь немного меньше Нептуна.

В этом само по себе нет ничего необычного. Было обнаружено множество планет размером с Нептун. Но сочетание размера и близости к звезде является неожиданным. Он помещает его в так называемую «горячую пустыню Нептуна», где из атмосферы планеты исходит интенсивное излучение звезды. Нептуны, достигшие состояния горячей пустыни, в конечном итоге лишают их каменистого ядра, превращая их в суперземли.

Так что же делал TOI-1853 b в пустыне? Чтобы выяснить это, исследователи использовали наземные обсерватории для отслеживания движения родительской звезды, когда гравитационное притяжение TOI-1853 b менялось по мере ее движения по орбите. Ускорение движения звезды, вызванное этим облаком, можно использовать для оценки массы планеты.

Оказывается, ТОИ-1853 б имеет много из блока. Его масса оценивается в 73 раза больше массы Земли или более чем в четыре раза больше массы Нептуна. Это, очевидно, означает, что его состав должен сильно отличаться от состава Нептуна.

Хрустящие внутри и снаружи?

Исследователи, участвовавшие в его открытии, потратили немало текста на описание того, насколько странным является то, что делает TOI-1853 b. Существуют планеты с похожей плотностью, но обычно гораздо меньшие по размеру, которые представляют собой суперземли, образовавшиеся в результате отрыва планеты, подобной Нептуну, от ее атмосферы. Существуют планеты с похожей массой, но примерно в два раза массивнее, которые, вероятно, будут иметь обширную атмосферу и/или океаны. «Он занимает область орбитального скопления [distance] Исследователи пришли к выводу, что «район горячих планет, ранее лишенный тел, соответствует более сухой области жаркой пустыни Нептуна».

На этом странности не заканчиваются. Две комбинации имеют смысл, учитывая задействованную здесь плотность. Во-первых, планета почти полностью состоит из каменистого материала, как и Земля, с очень тонкой атмосферой, составляющей максимум один процент ее массы. Альтернатива состоит в том, что масса равномерно распределяется между каменным ядром и огромным слоем воды.

Конечно, это не будет вода в том виде, в котором мы ее знаем. Из-за близости к звезде-хозяину и огромного давления со стороны этого большого океана, по крайней мере, часть этой воды будет находиться в сверхкритическом состоянии, а давление возле скалистого ядра заставит воду образовывать твердые вещества под высоким давлением. Внутри сердца все будет так же странно. Как отмечают исследователи, «свойства материи при таких высоких центральных давлениях остаются неопределенными».

Мы не только изо всех сил пытаемся понять его настоящее, мы также теряемся, когда дело касается его прошлого. Мелкие частицы пыли из диска, образующего планету, перестанут накапливаться до того, как TOI-1853 b достигнет своей нынешней массы, поскольку даже планета меньшего размера может разрушить диск. Маловероятно, что он образовался бы на своем нынешнем месте, поскольку твердым веществам там трудно конденсироваться.

Два варианта, маловероятно

Исследователи предполагают две возможности. Во-первых, группа малых планет сформировалась дальше, а затем дестабилизировала свои орбиты по мере постепенного испарения диска. Это могло привести к столкновениям, которые разрушили многие планеты, а затем их обломки образовали единое тело. Но эти процессы, как правило, не образуют единых тел, и, вероятно, потребуется множество планет, чтобы нести материал, эквивалентный 73 земным.

Альтернатива состоит в том, что несколько газовых гигантов образовались гораздо дальше, а затем дестабилизировали орбиты друг друга, в результате чего один из них оказался сильно эксцентричным, а одна часть орбиты оказалась чрезвычайно близко к родительской звезде. Это позволит ему собирать материал из внутренних частей планетообразующего диска — процесс, который может позволить планете, подобной Юпитеру, почти удвоить свою массу. Его максимальная орбита также позволит ему перенести свою атмосферу на звезду. После завершения этих процессов приливные взаимодействия между планетой и звездой в конечном итоге сделают ее орбиту более регулярной.

Ни в одном из этих возможных механизмов формирования нет ничего физически невозможного, но оба требуют серии неожиданных событий. Вселенная огромна, и вполне возможно, что подобные вещи где-то происходят, но кажется неразумным ожидать, что мы обнаружим их последствия так быстро.

Единственное, что могло бы помочь нам понять происхождение TOI-1853 b, — это наличие в системе других планет, которые могли бы помочь нам понять, что происходило во внутренних частях этой внешней системы. TOI-1853 b настолько велика и расположена так близко, что излучает мощный сигнал, и нам было бы трудно обнаружить какие-либо другие планеты в этой системе. По оценкам исследователей, что-то такое же массивное, как 10 Земель, также может вращаться вокруг звезды, но мы это упустили. Постоянная обратная связь может стать ключом к пониманию системы.

Природа, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (о цифровых идентификаторах).