Предложена инновационная модель формирования суперземель и мини-нептунов
Исследования суперземель и мини-нептунов показывают, что может существовать больше планет, похожих на Землю
Новое исследование, проведенное учеными из Университета Райса Шо Шибатой и Андре Изидоро, предлагает инновационную модель формирования суперземель и мини-нептунов — планет, которые в 1–4 раза больше Земли и являются одними из самых распространенных в нашей галактике.
Используя передовые компьютерные симуляции, исследователи пришли к выводу, что эти планеты образуются из узких колец планетезималей — крошечных строительных блоков планет. Это открытие меняет традиционные представления о процессе формирования планет и предлагает новый взгляд на эволюцию планетных систем за пределами Солнечной системы. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Традиционные модели формирования планет предполагали, что планетезимали распределены по всему протопланетному диску молодой звезды. Однако ученые предложили альтернативную теорию, согласно которой планетезимали концентрируются в узких кольцах на определенных расстояниях от звезды. Это делает процесс формирования планет более организованным и предсказуемым, чем считалось ранее. Ученые использовали симуляции N-тел, которые моделируют гравитационные взаимодействия между объектами, чтобы изучить, как планеты формируются в двух ключевых областях диска: внутри 1,5 астрономических единиц (а.е.) от звезды и за пределами 5 а.е., вблизи снеговой линии (2,7–3,1 а.е. для Солнца).
Результаты симуляций показали, что суперземли формируются преимущественно во внутренних областях диска, где планетезимали аккрецируют (слипаются) в каменистые тела. В то же время мини-нептуны образуются за пределами снеговой линии, где аккреция происходит с участием льда и других летучих веществ. Это объясняет, почему суперземли, как правило, имеют каменистый состав, а мини-нептуны богаты водой и газами. Модель также успешно воспроизводит наблюдаемую «долину радиуса» — заметный разрыв в распределении размеров экзопланет. Планеты размером примерно в 1,8 раза больше Земли встречаются редко, в то время как чаще наблюдаются две группы планет: одна с радиусом около 1,4 земного, а другая — около 2,4. Это явление объясняется тем, что планеты меньшего размера являются каменистыми суперземлями, а более крупные — богатыми водой мини-нептунами.
Одним из ключевых аспектов исследования является объяснение однородности размеров планет в многопланетных системах. Многие экзопланетные системы демонстрируют так называемую модель «горох в стручке», где планеты в одной системе имеют схожие размеры. Модель колец, предложенная учеными, естественным образом объясняет эту закономерность, так как планеты формируются и растут в пределах ограниченных колец, что приводит к их схожим характеристикам.
Кроме того, исследование согласуется с наблюдаемыми распределениями планетарных орбит. Планеты в экзопланетных системах не распределены хаотично, а формируются в определенных областях диска, что подтверждается результатами симуляций. Это подкрепляет идею о том, что процесс формирования планет является более упорядоченным, чем предполагалось ранее.
Модель также позволяет делать прогнозы относительно формирования планет, включая возможность существования каменистых планет в обитаемой зоне звезды. Ученые отметили, что такие планеты могут образовываться в результате гигантских столкновений на поздних стадиях формирования планетной системы, подобно тому, как Земля и Луна образовались в результате столкновения с телом размером с Марс.
Хотя такие события редки, они могут приводить к появлению планет, потенциально пригодных для жизни. По оценкам исследователей, примерно 1% систем суперземель и мини-нептунов может содержать планеты земного типа в обитаемой зоне. Это означает, что на каждые 300 звезд, подобных Солнцу, может приходиться одна такая планета.
Работа имеет важные последствия для будущих исследований экзопланет. Прогнозы, сделанные на основе модели, могут быть проверены с помощью новых телескопов, таких как Джейим Уэбб (JWST) и других обсерваторий следующего поколения. Если наблюдения подтвердят предсказания модели, это может существенно изменить наше понимание формирования планет не только в Млечном Пути, но и во всей Вселенной.