Исследователи из Университета Райса разработали новую модель формирования суперземель и мини-нептунов — планет размером от одного до четырех диаметров Земли, которые считаются одними из самых распространенных в нашей галактике. Ученые показали, что эти планеты возникают из узких колец планетезималей, что дает новое понимание процессов эволюции планет за пределами нашей Солнечной системы. Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters (AJL).
Долгое время ученые спорили о механизме формирования суперземель и мини-нептунов. Ранее считалось, что планетезимали — мелкие строительные блоки планет — образуются в широких областях вокруг молодой звезды. Однако в новой работе исследователи предложили альтернативную гипотезу: планетезимали скорее собираются в узких кольцах в конкретных зонах протопланетного диска, что делает процесс формирования планет более организованным, чем предполагалось ранее.
“Эта работа особенно важна, так как объясняет образование суперземель и мини-Нептунов, которые считаются самыми распространенными типами планет в галактике”, — отметил Се Сибата, постдок кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах. — “Один из ключевых выводов заключается в том, что пути формирования Солнечной системы и экзопланетных систем могут иметь фундаментальные сходства”.
В исследовании использовались N-телесные симуляции — компьютерные модели, которые отслеживают гравитационное взаимодействие между объектами.
Результаты показали, что суперземли в основном формируются путем приращения массы за счет планетезималей. Мини-нептуны образуются за счет приращения массы из более мелких пылинок.
“Наши результаты показывают, что суперземли и мини-Нептуны не формируются из равномерного распределения твёрдых материалов, а возникают из концентрированных колец, где сосредоточена основная масса вещества”, — пояснил Андре Изидоро, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах.
Новая модель также объясняет так называемую “долину радиусов” — заметный дефицит планет размером около 1,8 диаметра Земли. Согласно модели, планеты меньше 1,8 диаметра Земли в основном являются каменистыми суперземлями, тогда как более крупные планеты богаты водой и представляют собой мини-нептуны. Это совпадает с реальными наблюдениями экзопланет.
Модель также объясняет наблюдаемую размерную однородность планет в многопланетных системах — так называемый эффект “гороха в стручке”, когда планеты в одной системе имеют схожие размеры. Концентрированные кольца планетезималей создают условия для формирования планет одинакового размера в пределах одной системы.
Симуляции также подтвердили, что орбиты экзопланет в целом согласуются с предположением о формировании планет в определённых зонах диска, а не о случайном их рассеивании.
Исследование даёт возможность делать прогнозы о наличии землеподобных планет в зонах обитаемости. По словам Изидоро, хотя это будет редким явлением, образование таких планет в результате поздних гигантских столкновений — аналогичных тем, что привели к появлению Земли и Луны — остается возможным.
“Согласно нашим прогнозам, около 1% систем с суперземлями и мини-Нептунами могут содержать планеты, похожие на Землю, в зоне обитаемости звезды. Хотя это относительно небольшой процент, это все равно означает, что примерно у одной из 300 звезд, подобных Солнцу, может быть своя Земля”, — отметил Изидоро.
В будущем новые телескопы смогут подтвердить или опровергнуть эти прогнозы, что поможет раскрыть больше тайн формирования планет и условий для возникновения жизни за пределами Солнечной системы.
Ранее ученые выяснили,что вращающиеся черные дыры могут стать источником энергии.