Массивные суперземли: ни газовые карлики, ни скалистые гиганты

Проблемы с «суперземлями» преследуют астрономов давно. Попытки понять, что именно происходит на таких планетах, обычно не имеют определённого результата. Взять хотя бы дискуссию о тектонике плит: часть учёных считает, что под напором большего давления магмы «суперземли» должны располагать тектоникой, затыкающей за пояс земную, и что Земля еле-еле наскребает достаточную массу для запуска этого механизма, без которого, уверяют нас, не может быть жизни. Тут же появились оппоненты. Напротив, говорят они, кора у таких больших планет должна быть куда толще нашей, земной, то есть расшевелить её не сможет никакая магма.

Третьи заняли в этом споре несколько иную позицию. Какие плиты, уважаемые, какая тектоника? С чего вы взяли, что они вообще твёрдые?!

Вообще говоря, в этом есть рациональное зерно — ведь «суперземель» с точной известной плотностью не так много, и результаты таких оценок остро дискутируются. Поэтому есть две точки зрения на вопрос. Первая: всё, что тяжелее Земли в несколько раз, на самом деле уже не «суперземли», а «мини-Нептуны», ибо у них слишком толстая водородная атмосфера, вызывающая парниковый эффект и прочие неприятности. И вторая: твёрдая поверхность без сверхтолстой атмосферы возможна вплоть до десятка масс Земли, то есть весьма близка к массам Урана и Нептуна.

Новое исследование группы Дианы Драгомир (Diana Dragomir) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США), проведённое при помощи сети роботизированных телескопов, может внести существенный вклад в дискуссии об истинной природе «суперземель» — наиболее многочисленной категории планет, замеченных в зонах обитаемости вокруг других звёзд.

Астрономы взялись найти «суперземлю» у максимально яркой звезды так, чтобы на фоне света последней можно было точнее всего определить радиус экзопланеты. И такой кандидат объявился. В 70 световых годах от Земли располагается звезда HD 97658 (V = 7,7), вокруг которой здравствует планета HD 97658b. Согласно рассматриваемой работе, её радиус равен сравнительно скромным 2,34 земного. А масса достигает 7,86 от массы нашей планеты, что указывает на существенную плотность — порядка 3,44 г/см³ (против 5,51 г/см³ у нашего шарика и 3,93 г/см³ на Марсе).

Что это значит? Очевидно, эта планета примерно такой же «мини-Нептун», как, скажем, тот же Марс. Реальный Нептун в два с лишним раза менее плотен, чем HD 97658b. Сценарий небольшого скалистого ядра с огромной атмосферой водородно-гелиевого типа явно отменяется.

Но скалистой планетой это тоже не назвать. Согласно моделированию, такое тело должно быть близко к следующему сценарию: 50% воды, 40% силикатной мантии, 6% железного ядра. Соответственно, с высокой вероятностью речь идёт об океаниде с гравитацией на поверхности, равной 3,19g. С другой стороны, отмечают авторы, в принципе, речь может идти и о скалистой планете с водородно-гелиевой атмосферой существенной толщины. В любом из этих вариантов вероятные температуры поверхности колеблются в районе 700–1 000 К, то есть о жизни речи нет. Интересно другое: если планета действительно богата водой, а не гелием и водородом, то её вода должна находиться в весьма экзотических состояниях, включая сверхкритические.


Бросается в глаза резкое расхождение параметров плотности планеты с 55 Рака е (4,50–5,90 г/см³, по разным оценкам) и Кеплер-68b (3,32 г/см³). Это особенно заметно с учётом близости масс всех трёх (7–9 земных). Тут стоит вспомнить, что ранее выдвигались гипотезы о том, что планеты одинаковых масс в разных системах могут иметь принципиально разный химический состав и, следовательно, разную жизнепригодность. Так, данные по 55 Рака e уже заставили иных астрономов назвать планету углеродной, в то время как ряд других планет больше соответствует сценарию водных миров или толстых гелиево-водородных атмосфер. Можно было услышать и такое мнение: подобные различия неизбежно должны вызываться разной металличностью родительских звёзд соответствующих систем. Скажем, 55 Рака имеет металличность в 186% солнечных, а Кеплер-68, напротив, бедна металлами. Предположительно, у звёзд, богатых металлами, будут формироваться планеты, имеющие больше тяжёлых элементов в составе, в то время как аналоги Кеплер-68 могут склоняться к меньшей плотности, связанной с изобилием лёгких элементов.