Ольга Петрученя
Редактор раздела "Космос"

Чем крупнее звезда, тем в норме больше средний радиус ее планет. До недавних пор причины этого были не вполне ясны. Сейчас астрономы показали, что ситуацию нельзя объяснить только тем, что у крупных звезд массивнее и планеты: как оказалось, важную роль играет совсем другой фактор.

©NASA/JPL-Caltech

Из 4434 кандидатов в экзопланеты основную часть обнаружили у красных карликов — звезд малой массы и размеров. Те планеты, что находятся вокруг более массивных звезд — оранжевых карликов, как альфа Центавра B или желтых карликов, как наше Солнце, — в среднем показывают более крупные размеры. В новой работе, готовящейся к публикации в Astronomy & Astrophysics, международная группа исследователей показала причины этой закономерности. Дело оказалось не только в массе, но и в другом химическом составе планет у более массивных звезд. С текстом соответствующей статьи можно ознакомиться на сервере препринтов arXiv.org.

Реальные причины того, почему радиус планет у более массивных звезд больше, чем у менее массивных светил, могут быть разными. До сих пор в научной литературе предлагали три возможных объяснения. Во-первых, более крупные звезды имеют большую светимость — нагрев от их лучей мог «раздувать» газовые оболочки их планет за счет теплового расширения. Во-вторых, планеты у более массивных звезд образовались из протопланетного диска больших размеров и могли иметь более высокую среднюю массу. В-третьих, экзопланеты у массивных звезд могли иметь более высокое содержание легких газов — и, значит, меньшую среднюю плотность и большие размеры даже при обычной, средней массе.

Распределение известных экзопланет по типам. Желтым показаны твердые планеты, типа Земли или Марса, зеленым — миры, покрытые лавой, синим — планеты-океаны и ледяные гиганты. Розовым показаны «горячие юпитеры», а фиолетовым — холодные газовые гиганты, типа нашего Юпитера или Сатурна / ©NASA

Авторы работы решили проверить все три версии. Для этого они сделали три предсказания, правота или неправота которых соответствовала каждому из указанных выше вариантов. Если верно первое объяснение — о расширении атмосфер от нагрева, — то расчетная температура планет у более массивных звезд должна быть тем больше, чем больше радиус такой планеты (раз ее «раздувает» от нагрева). Если верно второе объяснение — то есть вокруг массивных звезд и планеты образуются более массивными, — то чем выше масса экзопланеты, тем больше должен быть ее радиус. Причем такая зависимость должна быть относительно линейной и предсказуемой. Проверить верность третьего объяснения сложнее всего, ведь точно выяснить состав экзопланеты трудно. Однако, если она при умеренной массе и расчетной температуре имеет очень большой радиус, то ясно, что в ней содержится больше легких элементов, чем в планетах у менее массивных звезд.

С помощью расчетов исследователям удалось показать, что у планет вокруг менее массивных звезд ниже доля легких элементов — в особенности гелия и водорода. Только этим можно объяснить наблюдаемые у них радиусы при фиксируемой массе. Массу экзопланет можно определить методом лучевых скоростей. В своем анализе астрономы в этот раз сосредоточились на планетах оранжевых и желтых карликов, поскольку планет у красных карликов известно много больше и там анализ был бы более трудоемким. Несмотря на это, они отмечают, что выводы явно распространяются и на экзопланеты в системах красных карликов. Именно поэтому, по мнению ученых, там куда больше доля планет земного типа и заметно меньше число гигантских планет с большим содержанием газов — типа Юпитера или Сатурна в Солнечной системе. Из этого косвенно следует, что и шансы на возникновение жизни земного типа у менее массивных звезд могут быть выше, чем у более массивных вроде нашего Солнца.

По вертикальной оси — радиус планет, по горизонтальной — масса их звезд. Пурпурные кресты соответствуют планетам вокруг белых звезд спектрального класса F, синие квадраты — вокруг звезд класса G (как наше Солнце), красные значки — планетам вокруг оранжевых карликов (класс К), желтые — вокруг красных карликов (класс М) / ©Michael Lozovsky et al.

Как отметили исследователи, выявленная ими закономерность не распространяется на звезды массивнее желтых карликов — например, на бело-желтые светила спектрального класса F. Причина в том, что те имеют слишком большую светимость, поэтому способны в значительной степени лишить свои планеты легкой газовой оболочки (из водорода и гелия) за относительно короткие сроки.

Пока не вполне понятно, почему планеты более массивных звезд содержат больше водорода и гелия, — детали процесса образования планет до сих пор не ясны астрономам. Но известно, что в Солнечной системе планеты-гиганты с водородом и гелием в атмосфере образовались первыми, а только затем возникли планеты земного типа — Меркурий, Венера, Земля и Марс. При этом влияние массивного Юпитера, близкого к Марсу, лишило Красную планету возможности иметь значительную массу и в итоге плотную атмосферу и высокую жизнепригодность.