Планеты вокруг крупных звезд «распухли» от легких газов

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.

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.

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.