Учёные выяснили, что у большинства планет в нашей галактике может не быть ядра

Одним из самых распространённых типов планет в Млечном Пути являются субнептуны — тела крупнее Земли, но меньше Нептуна. Согласно новому исследованию, размещённому на платформе препринтов arXiv и в журнале The Astrophysical Journal, они могут не иметь ядра в привычном понимании. Если планета накопила достаточно водорода, её недра не делятся на ядро и мантию, а представляют собой единую раскалённую смесь железа, горячей породы и водорода, в которой все компоненты перемешаны. Новая модель впервые объясняет ряд наблюдаемых свойств экзопланет, которые не удавалось объяснить раньше.

Земля устроена по знакомой схеме: в центре — плотное металлическое ядро из железа, вокруг него — толстый слой горячей породы, называемый мантией, а поверх — кора и тонкая атмосфера. Долгое время считалось, что каменистые экзопланеты устроены так же и отличаются лишь количеством газа над слоем твёрдой породы. Авторы нового исследования рассчитали, как ведут себя водород, породообразующие минералы и железо при экстремальных давлениях и температурах внутри субнептуна. Выяснилось, что при температурах выше 3700 °C водород и расплавленная порода перестают разделяться, как масло и вода, и смешиваются в единую раскалённую массу.

Если водород составляет менее одного процента массы планеты, она формирует обособленное металлическое ядро, как Земля. Но если водорода окажется больше, всё нутро планеты превращается в однородную смесь железа, породы и водорода, которая тянется почти до самого центра. Ни выраженного ядра, ни отдельного слоя из породы.

От внутреннего строения зависит, как планета остывает, удерживает атмосферу и как меняется её размер со временем. Новая модель объясняет закономерности, с которыми не справлялись прежние представления о внутреннем устройстве планет. Один из таких признаков — так называемый зазор радиусов. Астрономы находят много суперземель — каменистых планет крупнее Земли — и много субнептунов, то есть миров меньше Нептуна, но с заметной газовой оболочкой. А вот планет промежуточного размера между ними почти нет. Этот провал в статистике показали наблюдения космических телескопов NASA Kepler и «Джеймс Уэбб» (James Webb). Другая закономерность — связь между размером планеты и временем, за которое она совершает оборот вокруг своей звезды.

Обе особенности возникают естественно, если допустить, что молодые субнептуны хранят значительную долю водорода в глубине перемешанных недр и постепенно отдают его в газовую оболочку по мере остывания. Водород фактически всплывает из породы на протяжении сотен миллионов лет.

У гипотезы есть проверяемое следствие. Если водород постепенно выделяется из глубин планеты в атмосферу, молодые субнептуны должны сжиматься медленнее, чем предсказывают стандартные модели, и выглядеть несколько крупнее, чем ожидается для их возраста. Астрономы уже находят субнептуны у очень молодых звёзд возрастом в десятки миллионов лет, и именно в таких системах этот эффект можно измерить. Телескоп «Джеймс Уэбб» и новые программы поиска экзопланет смогут проверить эту гипотезу на наблюдениях. Они будут отслеживать транзиты — моменты, когда планета проходит перед своей звездой и на короткое время чуть приглушает её свет. По таким данным астрономы смогут точнее измерить размеры молодых субнептунов и сравнить их с расчётами модели.

У модели есть важные ограничения. Она описывает условия внутри субнептунов — огромные давления и температуры, которые учёные пока не могут полностью повторить в лаборатории. Поэтому часть выводов держится на теоретических расчётах. Эксперименты при высоком давлении уже приближаются к таким условиям, но окончательной проверки ещё нет. Есть и другая неопределённость: мы не знаем точно, сколько тепла сохраняют недра таких планет. Даже небольшая ошибка в этой оценке может заметно изменить расчёты. Кроме того, авторы шли от наблюдений к причине. Они посмотрели, какие экзопланеты уже найдены, как распределены их размеры, и попытались понять, какие внутренние процессы могли привести к такой картине. Это даёт общую статистическую модель, но не позволяет с уверенностью описать строение каждой отдельной планеты.

Тем не менее главный вывод работы меняет привычную картину. Многие планеты в нашей галактике могут быть устроены иначе, чем Земля. Мы привыкли представлять каменистую планету как систему из слоёв: плотное металлическое ядро, вокруг него мантия, сверху атмосфера. Но для субнептунов, одного из самых распространённых классов экзопланет, такая схема может не подходить. Если модель подтвердится, планеты с привычным ядром окажутся не универсальным правилом, а одним из вариантов строения. В этом случае Земля будет не образцом для большинства миров, а исключением среди них.