Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

С самого начала наблюдения за Глизе 436 b астрономы столкнулись с той же проблемой, что и в случае с 55 Рака e: вычисленный ими радиус не подходил под значения массы, соответствующие известным типам вещества планетных недр. Планета находилась на расстоянии 33 световых лет в созвездии Лев, обращаясь вокруг звезды по короткой орбите с периодом 2,5 суток. Согласно данным наблюдений, ее масса превышала массу Нептуна на 30%, что соответствовало 23 массам Земли, а радиус почти совпадал с радиусом Нептуна, чуть не дотягивая до 4 радиусов нашей планеты. Таким образом, Глизе 436 b была слишком плотной для планеты с толстой водородно-гелиевой атмосферой, но недостаточно плотной для планеты с твердой оболочкой. Наиболее вероятной альтернативой казался горячий лед.

Как и в случае с гипотезой о наличии воды в составе 55 Рака e, сама мысль о том, что лед может существовать в условиях адского пекла на поверхности планеты, находящейся в 13 раз ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу (что соответствует 7% расстояния от Меркурия до Солнца), казалась по меньшей мере странной. Но при сжатии под высоким давлением, обеспечиваемым огромной массой планеты, могут образовываться необычные формы льда, которые остаются твердыми даже при температуре поверхности свыше 300 °C.

Чтобы получить количество льда, соответствующее ее большой массе, формирование Глизе 436 b должно было проходить за снеговой линией, после чего планета должна была переместиться во внутреннюю часть системы в результате миграции. При этом ее газовая оболочка должна была улетучиться под воздействием исходящего от звезды излучения. В итоге мы получаем планету с тонкой атмосферой вокруг ядра, состоящего изо льдов и горных пород. В еще одном варианте — со слоем не менее странной сверхкритической воды.

Но стоило только исследователям закрыть вопрос о природе Глизе 436 b, как появившиеся новые сведения заставили их вновь вернуться к нему. Повторный анализ данных о размере планеты показал, что Глизе 436 b на 20% больше, чем считалось ранее. При таком соотношении размера и массы ее уже можно было отнести к более привычному классу нептуноподобных газовых гигантов, окруженных толстой атмосферой.

На этом сюрпризы не закончились. Источником удивительной лазурной синевы Нептуна служит содержащийся в его атмосфере газ метан, молекула которого является результатом связывания атома углерода с четырьмя атомами водорода. Однако при наблюдении с помощью телескопа «Спитцер» в атмосфере планеты был зафиксирован монооксид углерода и очень небольшое количество метана. Это стало загадкой, так как считается, что в толстой атмосфере газового гиганта должно быть много водорода, из которого при взаимодействии с атомами углерода должен образовываться метан. Несмотря на присутствие кислорода, при обычных для такой атмосферы температурах углерод должен участвовать главным образом в образовании метана. Вместо этого на Глизе 436 b углерод взаимодействовал преимущественно с кислородом, из-за чего метана в атмосфере планеты обнаруживается в 7000 раз меньше прогнозируемого значения. Какова же причина?

Было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот феномен. Возможно, в атмосфере планеты есть метан, но его спектральные признаки оказались размыты из-за исключительно высокого содержания других, более тяжелых молекул. Но тогда плотность Глизе 436 b должна быть выше значения, полученного в результате измерений. Наконец, в 2015 г. было высказано новое предположение: а что, если водорода на этой планете просто не было?

Суть идеи в том, что первоначально доля водорода в атмосфере Глизе 436 b была вполне обычной, но впоследствии из-за близости к звезде газ улетучился. Водород — самый легкий элемент, а значит, ему проще, чем любому другому газу, покинуть атмосферу планеты. Поэтому он улетучился, тогда как более тяжелые элементы были удержаны гравитацией планеты. Не имея возможности соединяться с водородом, находящийся в атмосфере углерод вступал во взаимодействие с кислородом, образуя диоксид углерода. С другой стороны, в отсутствие водорода главным компонентом атмосферы должен был стать гелий. В условиях обилия гелия планета должна была трансформироваться в нечто не похожее ни на один из миров Солнечной системы.

Учитывая многочисленность нептуноподобных планет вблизи звезд, гелиевые планеты могут быть довольно распространенным явлением. Варианты эволюции горячих газовых планет не ограничиваются полной потерей или полным сохранением атмосферы — некоторые из них могут потерять только водород, как это произошло с Глизе 436 b. Причем процесс избавления от водорода может продолжаться около 10 млрд лет, то есть в два раза больше возраста Солнечной системы. В таком случае гелиевые планеты — это дряхлые скитальцы на просторах нашей Галактики. У них не будет синего оттенка, как у Нептуна.

Из-за присутствующего в их атмосфере гелия они должны быть белого цвета. Итак, в экзопланетном паноптикуме появился очередной необычный экспонат. В 2015 г. планетолог Сара Сигер, один из авторов статьи, в которой выдвигается гипотеза о гелиевой атмосфере Глизе 436 b, заметила: «Наверное, где-то там, далеко на просторах Вселенной, найдется любая планета, которую можно только себе представить. Нужно только чтобы ее существование не противоречило законам физики и химии. Среди планет наблюдается такое невероятное разнообразие масс, размеров и орбит, что мы вполне можем допустить, что это верно и в отношении атмосфер экзопланет».

Вскоре наблюдения за 55 Рака e подтвердили правоту этого утверждения.

В 2016 г. члены группы исследователей из Кембриджа, выступившей с гипотезой о вулканическом ландшафте на 55 Рака e, провели тщательный анализ данных, полученных телескопом «Спитцер». На этот раз они решили не просто сравнить падение теплового излучения при прохождении планеты за звездой, а проследить за тусклым проявлением теплового излучения планеты на всем протяжении ее орбиты. Учитывая, что 55 Рака e всегда повернута к звезде одной и той же стороной, ее ночную сторону можно наблюдать в телескоп в середине прохождения по диску звезды. Дневной стороной планета поворачивается к наблюдателю непосредственно перед тем, как нырнуть за звезду. В результате наблюдения были зафиксированы две совершенно разные температуры.

Температура на дневной стороне планеты составляла приблизительно 2500 °C, то есть находилась где-то посередине между минимальным и максимальным значениями средней температуры, зафиксированными к тому моменту астрономами. На ночной стороне температура была 1400 °C, то есть ниже на 1100 °C. Даже при таком значении ночная сторона остается вполне себе тепленьким местечком, но сама по себе огромная разница температур указывала на очень плохой теплообмен на поверхности планеты. Горячее на 55 Рака e оставалось горячим, а холодное — холодным.

Колоссальный разрыв температур свидетельствовал об отсутствии у 55 Рака e атмосферы. Столь значительные температурные колебания должны приводить к формированию в газовой оболочке ветров, обеспечивающих перенос тепла на ночную сторону. Вероятно, когда-то у этой планеты была атмосфера, но из-за чрезвычайно короткой орбиты она лишилась ее.