Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Первая мысль, которая может возникнуть, – Янсен является чем-то средним между планетой земного типа и газовым гигантом – этакое потерянное переходное звено. Универсальным методом подбора можно получить приемлемые значения радиуса твердого ядра планеты и атмосферы, чтобы итоговое значение плотности планеты соответствовало наблюдениям. Это могло бы спасти ситуацию, если бы не радиус орбиты Янсена. При такой близкой орбите излучение звезды испарило бы атмосферу в считанные миллионы лет.

Как же разгадать эту головоломку? Обратим наше внимание на родительскую звезду Янсена – 55 Рака A. Может быть, она подскажет нам правильный ответ? Ведь звезды и их планеты изначально формируются из одного газопылевого облака, а значит, они должны иметь сходный состав. Хотя бо́льшая часть выброшенного при взрыве сверхновой вещества является водородом и гелием, в газовом облаке присутствуют более тяжелые элементы (астрофизики называют их металлами). Затем, когда из этого вещества образуется новая звезда, концентрация металлов в ней повышена по сравнению со звездой предыдущего поколения.

Спектр 55 Рака говорит о повышенной концентрации углерода в ее составе (такой состав свойственен звездам четвертого поколения). Поэтому следует ожидать, что в составе планет, которые вращаются вокруг звезды, углерод тоже в избытке. На рисунке 14 точка, изображающая Янсен, весьма кстати лежит очень близко к углеродной кривой b. Получается, что модель углеродной планеты лучше всего подходит, чтобы объяснить наблюдаемые массу и радиус Янсена? Что говорят нам о ее пейзажах законы физики, химии, геологии? Я приглашаю вас в путешествие по этому миру!

Представьте себе бескрайнюю черную пустыню. Вдали видны черные зубы гор, под тонкой корой гигантской планеты бурлит магма, в небе висит огромное испепеляющее солнце. Черный песок пустыни – графит, одна из форм углерода, – моментально пачкает скафандр первого человека на этой планете – ваш. Температура на поверхности немногим уступает температуре в плавильной печи. Надеюсь, у вашего скафандра хорошая теплозащита. Янсен – это старая и очень массивная планета, она медленно остывала миллиарды лет, но до сих пор не остыла. В ее недрах течет не встречающийся на Земле расплавленный углерод. Очень вязкий, он медленно перемещает литосферные плиты, сталкивает их, а затем разводит. На Янсене медленно – намного медленнее, чем на Земле, – растут горы, хребты и цепи вулканов, извергающих в воздух кристаллизующиеся на лету алмазы. Возможно, вы уже успели заметить равнины, покрытые алмазами, когда пролетали на своем космическом корабле вокруг планеты[49].

Магнитное поле всегда возникает там, где есть движение проводящей среды. У геологически активной планеты, у которой есть железное ядро и под корой которой течет расплавленная магма, не может не возникнуть магнитное поле. Наличие магнитного поля – один из факторов, сделавших нашу планету пригодной для жизни: оно защищает нас от мощного солнечного ветра.

Предположим, что у Янсена есть и ядро, и жидкая магма. А значит, имеется и магнитное поле. Давайте пофантазируем, к каким последствиям может привести наличие сильного планетарного магнитного поля у Янсена. Оно выполняет две функции. Во-первых, сдерживает напор солнечного ветра, направляя потоки заряженных частиц вдоль силовых линий к полюсам планеты. Так возникают невероятные по красоте и интенсивности полярные сияния. (Я использую слово «полярные» только для того, чтобы обозначить само явление – на Янсене эти сияния совсем не полярные. Поток звездного ветра так силен, что полярные сияния полыхают в атмосфере по всей планете, даже рядом с экватором – вы могли бы читать там эту книгу при естественном свете и ночью.) Во-вторых, магнитное поле поддерживает целостность атмосферы Янсена. В любой атмосфере есть как нейтральные атомы, так и обладающие зарядом ионы. Нейтральные атомы могут вырваться из оков земного притяжения и улететь в открытый космос только в том случае, если в результате столкновения с другими частицами они случайно приобретут вторую космическую скорость. С ионами ситуация иная. Магнитное поле не оказывает никакого влияния на нейтральные частицы, но взаимодействует с заряженными: оно препятствует убеганию заряженных частиц из атмосферы.

В 2016 году в журнале Nature вышла статья81, в которой сообщалось о новых наблюдениях 55 Рака е, но уже в инфракрасном диапазоне. Астрономы с помощью телескопа «Спитцер» впервые в истории смогли получить температурный профиль экзопланеты. Наблюдения проводились в общей сложности 80 ч., и за это время на 55 Рака е прошло больше четырех лет.

Новые данные были получены не с помощью новой аппаратуры («Спитцер» отправился в космос еще в 2003 году), а благодаря более точной калибровке датчиков телескопа. Когда стоимость каждого проекта приближается к миллиарду долларов, приходится выжимать максимум даже из старых приборов. Результаты, которые получили ученые, озадачивают. Оказалось, что инфракрасное излучение «проседает» два раза за период: когда планета заслоняет от нас звезду и когда звезда заслоняет от нас планету. Более того, выяснилось, что самая горячая точка на дневной стороне поверхности планеты смещена от того места, где она должна быть, – прямо под звездой. Такое возможно, если на планете присутствуют собственные источники тепла! Так возникло предположение, что Янсен – лавовый мир. Также ученые вычислили суточную разницу температур – 1 400 К. Это значит, что поверхность планеты на дневной стороне представляет собой сплошь лавовые моря и реки. На ночной же стороне лава охлаждается и затвердевает. Но ставить точку в исследованиях было пока рано.

В 2017 году двое ученых из Лаборатории реактивного движения NASA снова обратились к тем же фотометрическим фазовым кривым, полученным телескопом «Спитцер», для более детального анализа82 и перевернули все с ног на голову. Используя улучшенные физические модели перераспределения тепла, они обнаружили, что температура ночной стороны 55 Рака е чуть выше, чем было установлено в предыдущем исследовании, а температура дневной чуть ниже. В итоге разница температур оказалась не такой большой – всего 900 К. Главный же вывод исследования состоял в том, что у планеты должна существовать атмосфера, обеспечивающая давление в 1,4 раза больше земного. И если атмосфера у Янсена действительно есть, то в ней преобладает азот или окись углерода с незначительными примесями других веществ, в том числе углекислого газа и воды (что делает атмосферу планеты немного похожей на земную, а также не исключает данные о составе атмосферы, полученные в 2012 году).

Однако исследование 2017 года привело ученых к новому парадоксу: с одной стороны, фотометрические фазовые кривые лучше всего объясняются наличием на планете атмосферы, а с другой – наши представления о мире говорят нам, что на таком расстоянии от звезды никакая сила не сможет удержать атмосферу возле планеты.

Как видите, наш взгляд на 55 Рака е постоянно меняется. На что похожа эта планета в действительности? На черную углеродную пустыню, лавовый ад или же на планету с плотной атмосферой? Янсен полон сюрпризов. Данные, которые будут получены в ходе новых исследований, вполне возможно, заставят нас вновь пересмотреть имеющиеся представления об этой экзопланете.