Привычная нам модель строения планет — плотное металлическое ядро, силикатная мантия и тонкая атмосфера — может быть скорее исключением, чем правилом. Согласно новому исследованию, большинство каменистых и промежуточных экзопланет имеют совершенно иную внутреннюю структуру.

Работа, опубликованная в препринте на arXiv и отправленная в The Astrophysical Journal, ставит под сомнение классические представления о том, как устроены самые массовые планеты во Вселенной.

Суб-Нептуны и суперг Земли — самые обычные миры

Большинство обнаруженных экзопланет относятся к классу суб-Нептунов — они крупнее Земли, но меньше Нептуна. Их близкие родственники — супер-Земли — немного меньше и, как правило, уже потеряли большую часть водорода. До сих пор считалось, что они формируются примерно так же, как Земля, просто с разным количеством газа в атмосфере.

Однако при давлениях и температурах, царящих внутри таких планет, вещества ведут себя совсем не так, как на Земле.

Водород и силикаты смешиваются

При температуре выше примерно 4000 К водород и расплавленные силикаты перестают разделяться и становятся полностью смешиваемыми — как соль в воде. Железо тоже вступает в эту смесь. В результате, если планета захватывает больше ~1% массы в виде водорода, её внутренность превращается в однородную, бурлящую жидкость из железа, силикатов и водорода.

Чёткого металлического ядра и силикатной мантии в привычном понимании просто не существует.

«Знакомая нам концепция планетарного ядра — маленького плотного металлического сердца — может быть скорее исключением, чем правилом», — отмечают авторы исследования.

Новое объяснение старых загадок

Такая модель хорошо объясняет несколько наблюдаемых особенностей экзопланет, которые раньше вызывали трудности:

  • Радиусный разрыв — странный дефицит планет промежуточного размера между супер-Землями и суб-Нептунами.
  • Зависимость радиуса планеты от периода обращения вокруг звезды.

Согласно новой теории, молодые суб-Нептуны удерживают значительную часть водорода внутри смешанного слоя, а затем постепенно высвобождают его в атмосферу по мере остывания. Водород буквально «выкипает» из породы на протяжении сотен миллионов лет.

Как это проверить

У модели есть testable предсказание: молодые суб-Нептуны должны остывать медленнее и выглядеть более «раздутыми», чем предсказывают классические модели. Сейчас астрономы начинают находить такие планеты вокруг очень молодых звёзд (возрастом всего несколько десятков миллионов лет). Наблюдения телескопа James Webb и будущих миссий позволят проверить эту гипотезу.

Земля — странная планета?

Если новая модель верна, то привычное нам слоистое строение, как у Земли, может встречаться относительно редко. Самые распространённые планеты Галактики внутри могут представлять собой однородную смесь, совершенно не похожую на нашу планету.

Конечно, работа основана на теоретических расчётах поведения вещества в экстремальных условиях, которые сложно воспроизвести в лаборатории. Однако она хорошо согласуется с накопленными наблюдательными данными.

Вкратце

Новое исследование показывает, что у большинства суб-Нептунов и супер-Земель — самых распространённых типов планет в Галактике — может отсутствовать привычное металлическое ядро и силикатная мантия. При достаточном количестве водорода вещества внутри планеты смешиваются в единую однородную жидкость. Эта модель лучше объясняет наблюдаемые характеристики экзопланет, включая радиусный разрыв. Возможно, именно Земля с её классической слоистой структурой является необычной планетой, а не типичным представителем.