По соседству с Землей открылась Вселенская банька

Ученые все ближе подбираются к открытию планет, похожих на нашу собственную. Всего пару дней назад две независимые исследовательские группы сообщили об открытии шести объектов планетарных масс рядом с соседними звездами, очень напоминающими Солнце. Четыре планеты из этой шестерки – настоящие «супер-Земли», то есть объекты, которые всего в несколько раз больше колыбели человечества. Одна из них всего в пять раз тяжелее Земли, другая – в 7,5, еще две – в 18 и 24 раза массивнее нашей планеты. При такой же плотности, как у Земли, самая легкая из этих «супер-Земель» должна быть всего на 71% крупнее нашей планеты по линейным размерам. Это уже без сомнения «Земля», и даже не то чтобы очень «супер-».

Взвесил и обмерил

Впрочем, на деле в прежних статьях речь шла лишь о нижней границе возможных масс, так как из спектроскопических наблюдений можно получить лишь эту величину. Конечно, это наиболее вероятная оценка массы, но остается шанс, что на деле найденная планета значительно массивнее, но ее орбита сильно наклонена к лучу зрения. Что же касается радиуса, то его таким способом оценить и вовсе невозможно.

Авторам работы в Nature, которые сообщили об обнаружении уже пятой за неделю «супер-Земли», повезло больше. Их система из восьми автоматических телескопов диаметром 40 см нашла планету, которая каждые 38 часов проецируется на поверхность своей звезды, закрывая часть ее света. А сама эта звезда – красный карлик GJ1214 спектрального класса M в созвездии Змееносца, находится всего в 42 световых годах от Земли и прекрасно изучена. По доле перекрываемого планетой света ученые тут же вычислили размер объекта – он в 2,6-2,8 раза больше Земли.

Не забыли ученые и про спектроскопические наблюдения, которые дали примерный вес GJ1214b: 5,5-7,5 масс Земли. И это уже измерения, а не оценка сверху: раз частные затмения происходят, луч зрения практически точно совпадает с плоскостью орбиты.

Рыхлая горячка

Из массы и размера можно легко вычислить среднюю плотность планеты, и в случае с GJ1214b она оказалась всего 1,9 грамма на кубический сантиметр (плюс-минус полграмма). Это почти втрое меньше, чем средняя плотность Земли. И отсюда начинаются все дальнейшие рассуждения о физическом облике вновь открытого небесного тела.

По мнению Дэвида Шарбонно из Гарвардского университета, ведущего автора статьи в Nature, скорее всего, GJ1214b – огромный океан воды. Возможно, с небольшим скалистым или железным дном в центре. При том, что равновесную температуру на поверхности GJ1214b ученые оценивают в +100…+300°С, получается даже не океан, а какая-то глобальная баня, в которой непонятно, где кончается атмосферная «парилка» и начинается «бассейн» гидросферы.

Ускорение на поверхности этого небесного тела примерно такое же, как и на Земле (плотность его меньше, зато радиус больше), так что перегрузок мы бы там не испытывали. Правда, давление может быть значительно выше – огромная масса воды и большая температура должны делать атмосферу очень тяжелой. Именно давление и способно заставить океан оставаться жидким при таких высоких температурах.

Так что дачу на GJ1214b строить не стоит – насколько там хорошо для жизни, пока не ясно. Впрочем, ученые напоминают про земные донные организмы, которые без напряжения сдюживают температуры в одну-две сотни градусов по Цельсию, а также давление в десятки атмосфер у отверстий подводных «черных курильщиков». Правда, авторы подчеркивают, что они -- не специалисты ни по строению планет, ни тем более по жизни. Все разговоры про жидкую воду и «черные курильщики» – не из статьи, а с пресс-конференции американского Национального научного фонда, посвященной открытию.

Куда ни пойдешь, на океан не попадешь

И это очень важная оговорка, полагают настоящие специалисты по строению планет. По мнению Сары Сигерс и Лесли Роджерс, работающих по соседству с Шарбонно, в Массачусетском технологическом институте, никакого океана на GJ1214b вообще нет. Американская профессорша и ее аспирантка полагают, что существуют три сценария, способных более или менее объяснить происхождение и строение этой планеты. И ни в одном из них нет места океану жидкой воды – в том виде, в котором мы это понимаем.

Самый простой из них состоит в том забавном утверждении, что «супер-Земля» GJ1214b – это «мини-Нептун»: планета с твердым жестким ядром изо льда и атмосферой из водорода и гелия. Такой объект вполне мог бы сформироваться на задворках местной планетной системы напрямую из протопланетного облака и позднее мигрировать ближе к звезде. Содержание газов в его атмосфере минимально – около 1%, и это почти исключительно гелий и водород.

Второй вариант – это дегазирующаяся скалистая планета, из расплавленных недр которой вырываются газы, наполняющие атмосферу. Такое, по мнению ученых, случалось несколько миллиардов лет назад и с нашей Землей. В случае же с GJ1214b все происходит куда более интенсивно – здесь и вещества больше, и температуры выше даже на поверхности. Атмосфера в этом случае должна быть более значительной и поначалу состоять из водорода, воды, угарного и углекислого газов, а также примесей метана, аммиака, азота, сероводорода и сернистого газа. Как изменился состав к сегодняшнему дню, зависит от того, насколько долго планета кружится так близко к звезде: понятно, что легкий водород испаряется с планеты куда быстрее, чем сернистый газ.

Наконец, третий вариант – это, собственно, паровой котел, когда планета минимум на половину состоит из H₂O. Правда, привычных для нас океанских просторов там все равно нет – вода там существует без разделения на жидкую и газообразную фазу, которая на большой глубине переходит в плазму. Зато в этой непривычной для человека воде (она существует лишь при температуре выше 374 по Цельсию и давлении в 220 атмосфер) должно быть растворено много интересного – и азот, и сероводород, оксиды углерода, аммиак и даже спирт (метиловый). Это то, что ученые называют «горячим океаном».

Смотри на просвет

В любом случае, отмечают Роджерс и Сигерс, ничего подобного GJ1214b в Солнечной системе нет – и тем интереснее ее исследовать. А разобраться, какой вариант реализуется в действительности, помогут дальнейшие наблюдения. Например, если во время прохождения планеты по диску звезды в спектре последней появляются какие-то слабые спектральные линии, то эти линии наверняка принадлежат атмосфере планеты. И вот уже известен ее химический состав.

К счастью, с планированием подобных наблюдений проблем не будет. Каждую неделю GJ1214b четыре раза почти на целый час оказывается прямо перед звездой, позволяя просвечивать себя на радость астрономам. Шарбонно и его коллеги уже заказали время на Космическом телескопе имени Хаббла и нескольких наземных инструментах для таких наблюдений.