Предлагаемая миссия EVE изучит возникновение суперземель и субнептунов, чтобы раскрыть тайну «долины радиуса»

Группа планетологов представила концепцию новой космической миссии Early eVolution Explorer (EVE) в виде препринта на открытом репозитории arXiv. Главное «обнаружение», которое призвана объяснить эта миссия, касается давнего парадокса: среди тысяч открытых экзопланет почти нет миров с радиусом около 1,8 земного — наблюдается резкое разделение на меньшие суперземли и более крупные субнептуны. Исследователи выяснили, что спор о природе этой «долины радиуса» сводится к двум принципиально разным гипотезам: либо все планеты рождаются одинаково, а затем близость к звезде сдувает их атмосферы, либо суперземли и субнептуны имеют разный состав с момента формирования. Работа предлагает конкретный способ проверки через наблюдение за очень молодыми звездными скоплениями.

Почему радиус 1,8 земного — это магическое число

За более чем десять лет наблюдений, особенно благодаря телескопам Kepler и TESS, астрономы накопили статистику по радиусам тысяч экзопланет. На графике распределения отчетливо видны два пика: один в районе 1,2–1,5 радиуса Земли (суперземли) и другой — около 2,0–2,5 радиуса Земли (субнептуны). Между ними провал, минимум в районе 1,7–1,9 земного радиуса. Это и есть «долина радиусов».

Наличие такого провала удивительно, потому что если бы планеты различались только количеством набранного газа, мы ожидали бы плавного континуума размеров. Вместо этого природа демонстрирует биполярное распределение: либо планета остается каменистой и сравнительно небольшой, либо обзаводится толстой газовой оболочкой и становится заметно больше. Переходные формы встречаются крайне редко.

Первая гипотеза: сжимающиеся газовые карлики (фотоиспарение)

Эта модель предполагает, что все планеты в начале своей жизни устроены одинаково. В протопланетном диске вокруг молодой звезды сначала формируется каменистое ядро массой в несколько масс Земли. Это ядро благодаря своей гравитации притягивает из диска легкий водород и гелий, создавая вокруг себя «пушистую», протяженную атмосферу. На этом этапе планета напоминает миниатюрный газовый гигант, но с большим твердым ядром. Такой объект называется газовым карликом.

Дальнейшая судьба планеты решается ее орбитой. Если планета находится слишком близко к своей звезде, она попадает под мощный поток ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Молодые звезды особенно активны — они вспыхивают, выбрасывают корональные массы и генерируют жесткое излучение. Это излучение нагревает верхние слои атмосферы планеты до температур, при которых тепловая скорость атомов водорода превышает скорость убегания. Атмосфера начинает буквально улетучиваться в космос, как пар с поверхности кипящей воды. Процесс называется гидродинамическим улетучиванием (фотоиспарением). Со временем от пышной оболочки не остается ничего, и планета превращается в голое каменистое ядро, то есть суперземлю радиусом 1,0–1,5 земного.

Те планеты, которые сформировались дальше от звезды, за пределами некоторой критической дистанции, получают меньшую дозу ионизирующего излучения. Их атмосферы испаряются лишь незначительно или не испаряются вовсе, и они остаются субнептунами с радиусами около 2,0–2,5 земного. Согласно этой гипотезе, «долина радиуса» — это граница, разделяющая планеты, потерявшие оболочку, и планеты, сохранившие ее. Важно, что изначально все они были газовыми карликами, и их эволюция разошлась только из-за разной удаленности от звезды.

Вторая гипотеза: плотные водные миры (разный состав при рождении)

Альтернативная теория отрицает единообразие начальных условий. Она опирается на понятие снеговой линии — границы в протопланетном диске, за которой температура падает настолько, что вода конденсируется в твердые частицы льда. Внутри снеговой линии, ближе к звезде, вода существует только в виде пара или отсутствует вовсе, поэтому планеты строятся из сухих силикатных пород и металлов. Это суперземли, каменистые, плотные, с тонкой атмосферой (если она вообще есть). Их максимальный радиус при данной массе ограничен плотностью горных пород.

За снеговой линией, в холодной внешней части диска, доступно гораздо больше твердого вещества: помимо каменистых частиц, там присутствует водяной лед. Планеты, формирующиеся в этой зоне, аккрецируют смесь примерно из 50% породы и 50% воды по массе. Вода может быть заморожена внутри планеты или существовать в виде глубокого жидкого океана под высоким давлением, но важно, что она составляет значительную долю. Такие водные миры имеют гораздо больший объем при той же массе, потому что плотность воды (и тем более льда) заметно ниже плотности камня.

В результате гибридный мир, наполовину состоящий из воды, будет иметь радиус примерно в 1,8–2,5 раза больше земного, то есть попадет в категорию субнептунов. «Долина радиуса» в этой модели возникает как разрыв между максимально возможным радиусом чисто каменистой планеты и минимально возможным радиусом планеты с 50% водного содержания. Планеты промежуточного состава (например, 80% камня и 20% воды) могли бы заполнить провал, но условия формирования в протопланетном диске либо не создают таких смесей в больших количествах, либо они быстро преобразуются в один из двух устойчивых типов.

Как различить эти гипотезы на практике

Ключевое различие между сценариями касается возраста планет. Если верна гипотеза фотоиспарения, то в молодости (первые десятки миллионов лет) все планеты одного размера должны выглядеть как газовые карлики — пушистые (рыхлые), с протяженными атмосферами. Затем, по мере того как звезда успокаивается и излучение ослабевает, планеты у звезды теряют оболочки, и разделение на два типа проявляется только со временем. То есть молодые планеты на близких орбитах еще не успели «сдуться» и должны выглядеть как субнептуны.

Если же верна гипотеза водных миров, то разделение заложено с самого рождения: планеты внутри снеговой линии сразу являются суперземлями, а за ней, субнептунами. В этом случае молодые планеты уже демонстрируют ту же двойственность, что и старые, просто их точные размеры могут немного отличаться из-за сжатия или остывания.

Следовательно, чтобы выбрать между теориями, нужно посмотреть на очень молодые экзопланеты, возраст которых не превышает 50 миллионов лет. Если окажется, что среди них много субнептунов на тесных орбитах (которые потом должны превратиться в суперземли), это подтвердит модель фотоиспарения. Если же на тесных орбитах изначально преобладают суперземли, то есть маленькие и плотные миры, а субнептуны встречаются только далеко от звезд, это будет аргументом в пользу водной гипотезы.

Почему сейчас известно так мало молодых экзопланет

Из примерно шести тысяч подтвержденных экзопланет лишь около двадцати имеют возраст менее 50 миллионов лет. Причина не в том, что молодых планет мало в природе, а в том, что их чрезвычайно трудно обнаружить существующими методами. Основная проблема это высокая активность самих молодых звезд. Новорожденные солнца постоянно вспыхивают, меняют свою яркость, имеют мощные звездные пятна и активные хромосферы.

Когда астрономы используют транзитный метод (измерение крошечного падения яркости при прохождении планеты по диску звезды), эти вспышки и колебания создают сигналы, которые легко принять за планету. Отношение сигнал-шум оказывается катастрофически низким. Более того, молодые звезды часто окружены остаточными протопланетными дисками, которые тоже поглощают и рассеивают свет, дополнительно искажая измерения.

Другие методы, такие как лучевые скорости (измерение колебаний звезды под влиянием гравитации планеты), тоже страдают от звездной активности. Пятна и вспышки на поверхности вращающейся звезды вызывают асимметрию спектральных линий, имитируя доплеровский сигнал от несуществующей планеты. Отфильтровать этот шум от реальных планетных сигналов это очень сложная задача даже для космических телескопов вроде Хаббл или TESS.

Техническое решение миссии EVE

Именно здесь в игру вступает проект Early eVolution Explorer. Его главная инновация — не просто наблюдение за молодыми планетами, а специальная многоспектральная стратегия подавления шума. EVE планируют оснастить тремя отдельными камерами или спектрографами, работающими одновременно в ближнем ультрафиолете (NUV), оптическом диапазоне и ближнем инфракрасном диапазоне (NIR).

Физика здесь проста: звездные вспышки это резкие выбросы энергии, связанные с пересоединением магнитных полей, наиболее ярко проявляются именно в ультрафиолетовой области спектра. В оптике и тем более в инфракрасном диапазоне их вклад заметно меньше. Поэтому, регистрируя ультрафиолетовую вариабельность, можно в реальном времени измерять интенсивность и форму каждой вспышки, а затем математически вычитать ее влияние из данных, полученных в оптическом и инфракрасном каналах. Оставшийся сигнал будет содержать только транзиты планет и, возможно, другие долгопериодические вариации. Это похоже на технологию активного шумоподавления, только применительно к астрофизическим наблюдениям.

План наблюдений EVE предполагает работу в течение 2,5 лет. За это время миссия нацелится на 30 различных областей молодых звездных скоплений. Каждую область будут наблюдать непрерывно по 30 дней. Скопления выбраны так, чтобы включать звезды возрастом от 1 до 50 миллионов лет, критический диапазон, в котором, согласно гипотезам, должно происходить разделение на два типа планет. Общее количество звезд, за которыми будет следить EVE, достигнет примерно 20 тысяч. Это на два порядка больше, чем число молодых звезд, изученных к настоящему времени с достаточной точностью. Основной акцент миссия сделает на суперземлях и субнептунах. Горячие юпитеры и другие газовые гиганты намеренно исключены из фокуса, потому что их эволюция следует иным законам.

Прогнозируемые результаты как тест двух теорий

Прогнозы команды EVE различаются кардинально в зависимости от того, какая гипотеза верна. В рамках модели сжимающихся газовых карликов, где все молодые планеты начинают как субнептуны, EVE должна обнаружить до сотни небольших планет в возрасте до 50 миллионов лет. Причем эти планеты будут распределены по орбитам достаточно равномерно, включая очень близкие к звездам области. Их радиусы будут лежать преимущественно в субнептуновой области (около 2–2,5 земного), потому что фотоиспарение еще не успело сработать.

Если же реальность описывается гипотезой водных миров с изначально разным составом, картина будет иной. Тогда близкие к звездам планеты с самого рождения являются суперземлями с радиусами менее 1,5 земного. Они плотны и относительно малы. А субнептуны, сформировавшиеся за снеговой линией, мигрировали внутрь системы лишь в редких случаях. Обнаружить эти водные миры на фоне яркой молодой звезды гораздо труднее, потому что при массе в несколько земных их радиус все же меньше, чем у газового карлика. К тому же они не так многочисленны на тесных орбитах. Поэтому команда ожидает, что в водном сценарии EVE найдет лишь около пяти новых планет. С точки зрения статистики, это различие между 100 и 5 планетами является решающим. Оно позволит однозначно отвергнуть одну из гипотез, даже без детального изучения состава каждой планеты.

Дополнительные сложности и статус проекта

Следует понимать, что миссия EVE на данный момент существует только в виде концептуального черновика, опубликованного на arXiv. Она позиционируется как один из кандидатов в программу NASA Small Explorers (SMEX). Программа SMEX предназначена для небольших, относительно недорогих космических миссий с быстрым циклом разработки, обычно стоимостью до 300 миллионов долларов и сроком от идеи до запуска около трех-четырех лет.

В последние годы такие миссии получают дополнительное внимание и финансирование, поскольку НАСА стремится заполнить нишу между большими обсерваториями вроде телескопа Джеймс Уэбб и совсем маленькими исследовательскими проектами. Однако пока EVE не утверждена, и конкуренция среди предложений SMEX очень высока. Если миссию все же выберут, запуск может состояться в конце этого десятилетия, и тогда примерно через два-три года после запуска мы получим первые результаты.

Таким образом, независимо от исхода, миссия EVE может дать долгожданный ответ: если в молодых скоплениях будет найдено множество субнептунов на близких орбитах, победит гипотеза фотоиспарения, и мы поймем, что суперземли — это «ободранные» газовые карлики. Если же будет обнаружено лишь несколько планет, причем исключительно маленьких и плотных поблизости от звезд, то подтвердится теория водных миров, и суперземли с субнептунами окажутся принципиально разными типами тел с самого рождения. В любом случае, EVE позволит создать первую эмпирическую «эволюционную дорожную карту» для планет на самых ранних этапах их существования и закрыть дискуссию о природе долины радиуса, которая длится уже более десяти лет.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях