Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Мы пока не до конца понимаем, как именно геология влияет на характер планеты, но общий вывод очевиден: одинаковый с Землей размер и твердая оболочка еще не означают, что и во всем остальном планета будет походить на нашу.

Природа 55 Рака e не дает покоя астрономам. Что это — углеродный мир с алмазной мантией или планета с богатой кремнием оболочкой, покрытой экзотическими морями, которые наполнены не жидкостью, но и не газом?

В 2016 г., когда группа исследователей из Кембриджского университета опубликовала результаты последних наблюдений, к перечню возможных ответов добавился еще один совершенно неожиданный вариант. Направив космический телескоп «Спитцер» на 55 Рака, астрономы изучили свет от звезды не только в момент прохождения 55 Рака e по ее диску, но и в момент нахождения планеты позади нее. В обоих случаях перекрытие звездой и планетой друг друга приводило к падению наблюдаемой светимости. Когда планета не находится ни перед диском звезды, ни за ним, наблюдаемый свет складывается из света звезды и тусклого излучения самой планеты. Во время прохождения планета заслоняет часть поверхности звезды, что приводит к падению светимости. При обратном явлении, то есть в тот момент, когда звезда заслоняет планету, фиксируется второе, менее заметное падение, связанное с отсутствием излучения планеты. Это второе прохождение называют покрытием, или вторичным затмением.

Источниками исходящего от планеты света являются отраженный свет звезды и собственное тепловое излучение планеты. Поскольку планета холоднее звезды, тепловая часть ее излучения находится в области спектра с большей длинной волн — инфракрасной, то есть той, на работу с которой изначально был нацелен «Спитцер». При наблюдении за изменением теплового излучения после исчезновения планеты из видимой области во время покрытия удалось измерить ее температуру.

В ходе наблюдений за покрытиями 55 Рака e в 2012 и 2013 гг. были получены высшей степени странные результаты: скачки теплового излучения могли достигать 300%. Расчеты показали, что температура на планете изменяется в диапазоне 1000–2700 °C, то есть почти на 2000 °C. Кроме того, падение светимости во время прохождения планеты перед звездой также не было постоянным: казалось, что поверхность планеты загораживала разное количество света, как если бы менялся ее размер.

Столь значительные колебания невероятно высоких температур натолкнули исследователей на очередную гипотезу: все дело в вулканах. При такой жаре должны плавиться практически все виды горных пород. То есть вместо океанов с необычной водой или дегтем поверхность этой планеты должна утопать в магме. Из жидкой коры в результате извержений в атмосферу должны выстреливать струи расплавленных горных пород.

Нечто подобное можно наблюдать и у нас. Наибольшая вулканическая активность в Солнечной системе отмечается на Ио, третьем по величине спутнике Юпитера. Струи магмы вылетают из жерл вулканов на высоту более 300 км над поверхностью спутника. На столь большом расстоянии от Солнца источником энергии для плавления нижней коры Ио и вулканической активности является приливный разогрев, обусловленный слегка эллиптической орбитой этого спутника[13]. Под воздействием изменения интенсивности гравитационного взаимодействия с Юпитером и соседними спутниками Европой и Ганимедом поверхность Ио деформируется с амплитудой до 100 м. Это в 200 раз больше разницы высот океанских приливов на Земле. В результате притяжения со стороны звезды и соседних планет орбита 55 Рака e также могла принять эллиптическую форму, а значит, планета также подвергается деформации, стимулирующей нарастание вулканической активности наряду с испепеляющим жаром звезды.

Если бы продукты вулканической активности выбрасывались высоко в атмосферу 55 Рака e, ее нижние слои не были бы видны извне. В этом случае для наблюдения были бы доступны более высокие, менее горячие части газовой оболочки планеты, а также формирующаяся при охлаждении выбросов шапка, а значит, были бы получены более низкие значения температуры. С ослаблением вулканической активности облака выбросов рассеются, и нижняя, более горячая часть атмосферы планеты снова будет видна. Поэтому зафиксированные колебания температуры могут объясняться вспышками вулканической активности. Изменения в величине падения светимости при прохождении планеты по диску звезды также могут быть вызваны присутствием в атмосфере вулканических выбросов. Наличие в воздухе значительного количества вулканического пепла препятствует проникновению света звезды, что и дает большее значение при измерении радиуса планеты.

Объяснить наблюдаемые изменения в значениях температуры и радиуса вулканической активностью можно только в том случае, если вулканы на 55 Рака e выбрасывают материал на высоту, недоступную ни одному вулкану в Солнечной системе. На высоте порядка 1300–5000 км над всей поверхностью планеты должны тянуться облака выбросов. Если это одно массивное облако, то поистине циклопических размеров — 10 000–22 000 км, то есть от 1 до 2 радиусов планеты. Для сравнения: облака выбросов на Ио простираются на 300–500 км, что составляет 16% — 27% радиуса этого спутника. Впрочем, памятуя о репутации 55 Рака e как планеты крайностей, ничего другого от нее ожидать и не следует.

Подтверждение гипотезы о вулканах также могло бы пролить свет и на строение планеты. Если допустить, что фактический радиус 55 Рака e совпадает с минимальным значением, полученным в ходе измерений (и соответствующим атмосфере без облаков выбросов), ее плотность окажется близкой к значению, соответствующему землеподобным недрам из железа и силикатов. Даже в этом случае она все равно будет очень мало походить на Землю: учитывая, что ее поверхность состоит из расплавленных горных пород, это будет мир жидкой лавы. В то же время вулканическая модель не исключает версию об углеродном мире или оболочке из сверхкритической воды. Чтобы проверить гипотезу, необходимо исследовать вулканические выбросы или атмосферу планеты.

Никку Мадхусудан, член команды исследователей из Кембриджского университета и главный поборник идеи о 55 Рака e как об углеродном мире, заметил: «Находить зацепки там, где не ждешь, — именно это и делает науку такой увлекательной. Последние наблюдения открывают новую главу в изучении каменистых экзопланет с использованием уже существующих и будущих больших телескопов».

Образ океана вулканической лавы, которым может оказаться 55 Рака e, обескураживает даже больше, чем окутанный смогом углеродный мир. Впрочем, это не первая планета, которую заподозрили в сходстве с преисподней.

В феврале 2009 г. появилось сообщение о прохождении новой планеты по диску звезды на расстоянии 489 световых лет в созвездии Единорог. Планета получила обозначение CoRot-7 b — в честь французского космического телескопа, с помощью которого она была открыта: COnvection, ROtation et Transits planétaires, что в переводе на русский означает «Конвекция, вращение и прохождения планет». Телескоп CoRot был спроектирован для поиска проходящих экзопланет на коротких орбитах с периодом обращения менее 50 дней. Обнаружив планету CoRot-7 b, он убедительно подтвердил свою эффективность. Новая планета совершает полный оборот вокруг своей звезды за 20 часов на расстоянии, не превышающем 4% расстояния от Меркурия до Солнца[14].