Астрономы представили новую модель строения экзопланет, которая может полностью изменить представление о том, как выглядят самые распространённые миры в нашей галактике. Исследование показало, что многие субнептуны — планеты больше Земли, но меньше Нептуна — могут вообще не иметь привычного металлического ядра. Вместо разделения на ядро и мантию их внутренности способны представлять собой единую раскалённую смесь водорода, расплавленной породы и железа.

Работа помогает объяснить сразу несколько загадок, которые астрономы наблюдают при изучении экзопланет уже много лет. Новая теория также предполагает, что Земля может быть скорее исключением, чем стандартом среди планет Млечного Пути.

Субнептуны — один из самых распространённых типов планет

За последние годы астрономы обнаружили тысячи экзопланет за пределами Солнечной системы. Среди них особенно часто встречаются так называемые субнептуны — миры, размеры которых находятся между Землёй и Нептуном.

Подобных планет в нашей системе нет, поэтому учёным долгое время приходилось лишь предполагать, как они устроены внутри.

Ранее считалось, что такие планеты имеют строение, похожее на земное:

• плотное металлическое ядро;
• каменистую мантию;
• атмосферу из газов.

Разница, как предполагалось, заключалась только в толщине газовой оболочки.

Однако новое исследование показывает, что реальность может быть намного сложнее.

Водород способен полностью изменить внутреннее строение планеты

Авторы работы изучили поведение водорода, железа и минералов при экстремальных температурах и давлениях, характерных для недр субнептунов.

Расчёты показали неожиданную особенность: при температурах выше примерно 3700 градусов Цельсия расплавленная порода и водород перестают существовать как отдельные слои и начинают смешиваться в единую массу.

В результате внутри планеты может образовываться огромный раскалённый океан из:

• водорода;
• жидкой породы;
• железа.

При таком сценарии привычного разделения на ядро и мантию просто не существует.

Всё зависит от количества водорода

Согласно модели, ключевую роль играет объём водорода внутри планеты.

Если его количество составляет менее одного процента от общей массы, планета формирует металлическое ядро, похожее на земное.

Но если водорода оказывается больше, внутреннее строение меняется полностью. Тогда почти всё нутро планеты превращается в раскалённую однородную смесь, уходящую практически до самого центра.

Именно поэтому многие субнептуны могут быть устроены совершенно иначе, чем Земля.

Новая теория объяснила загадочный «зазор радиусов»

Одной из главных проблем современной астрономии остаётся так называемый радиусный разрыв среди экзопланет.

Наблюдения показывают, что во Вселенной много:

• суперземель — крупных каменистых планет;
• субнептунов — миров с газовой оболочкой.

При этом объектов промежуточного размера обнаруживается surprisingly мало.

Эту особенность зафиксировали космические телескопы NASA Kepler и James Webb. Старые модели внутреннего строения планет плохо объясняли подобное распределение.

Новая теория предлагает возможный ответ.

Водород может медленно «всплывать» из глубин планеты

Исследователи предполагают, что молодые субнептуны способны удерживать огромные объёмы водорода внутри раскалённых недр.

По мере охлаждения планеты этот водород постепенно поднимается к поверхности и пополняет атмосферу. Процесс может продолжаться сотни миллионов лет.

Из-за этого:

• размеры планеты меняются со временем;
• атмосфера становится толще;
• охлаждение происходит иначе, чем предполагалось раньше.

Именно такая эволюция, по мнению авторов, может объяснять наблюдаемую статистику экзопланет.

Телескоп James Webb сможет проверить гипотезу

У новой модели есть важное проверяемое следствие.

Если водород действительно медленно выходит из глубин субнептунов, молодые планеты должны оставаться более крупными дольше, чем предсказывают стандартные расчёты.

Сейчас астрономы уже находят субнептуны у очень молодых звёзд возрастом всего несколько десятков миллионов лет. Именно такие системы станут главной целью будущих наблюдений.

Телескоп James Webb и новые программы поиска экзопланет смогут отслеживать транзиты планет — моменты, когда они проходят перед своей звездой и немного уменьшают её яркость.

Это позволит гораздо точнее измерять размеры молодых миров и сравнивать результаты с расчётами новой модели.

Пока теория остаётся неполностью подтверждённой

Несмотря на перспективность гипотезы, исследователи признают существование серьёзных ограничений.

Главная проблема заключается в том, что условия внутри субнептунов крайне сложно воспроизвести в лаборатории. Давления и температуры в недрах таких планет намного превышают возможности большинства современных экспериментов.

Поэтому значительная часть выводов пока основана на компьютерном моделировании и теоретических расчётах.

Кроме того, учёные пока не знают точно:

• сколько тепла сохраняют недра подобных планет;
• насколько быстро происходит перемешивание вещества;
• как именно ведёт себя водород при таких условиях.

Даже небольшие ошибки в этих параметрах способны заметно изменить результаты модели.

Земля может оказаться редким типом планеты

Главный вывод исследования заключается в том, что привычное строение Земли может быть далеко не универсальным сценарием для планет.

Человечество долгое время воспринимало Землю как своеобразный шаблон: металлическое ядро, каменистая мантия и атмосфера сверху. Но субнептуны — один из самых распространённых классов планет в Млечном Пути — вероятно, устроены совершенно иначе.

Если новая теория подтвердится наблюдениями, это будет означать, что Земля представляет собой лишь один из множества возможных вариантов устройства планет, а не типичный пример для всей галактики.