3.2. Основные типы экзопланет

В Солнечной системе планеты делятся на две основные группы: землеподобные и планеты-гиганты (Уран и Нептун часто выделяют в отдельную подгруппу ледяных гигантов). Обнаружение нескольких тысяч экзопланет помогло существенно расширить классификацию возможных типов планет.

Данные наблюдений позволяют определить массу планеты, ее радиус, расстояние от звезды и количество энергии, получаемое от звезды. В очень редких случаях удается измерить другие параметры, включая даже атмосферные, но эти исключения не влияют на основную классификацию типов планет.

Современная классификация экзопланет в основном базируется на измерении их масс, радиусов и расстояния от звезды.

Планеты формируются в окружающем молодую звезду диске, состоящем из газа и пыли (газа по массе больше). Ближе определенного критического расстояния от звезды (это так называемая снеговая линия) такие соединения, как метан, аммиак, углекислый газ, вода и др., существуют в виде газа, а пылинки состоят в основном из кремния, магния, углерода и железа. За снеговой линией метан, вода и другие подобные соединения замерзают, поэтому возможно образование ледяных пылинок, а потом и более крупных ледяных тел. Поэтому можно выделить три основных компонента, которые могут войти в состав планет: водород и гелий в виде газа, различные «льды» (в недрах планет они могут не принимать привычную нам форму твердого льда) и «камни» (к ним также относят железо и его соединения, и при этом в недрах массивных планет тяжелые элементы могут не формировать твердое ядро).

Параметры планет определяются параметрами протопланетного диска и их местом рождения в нем.

Эволюционно параметры планет задаются свойствами протопланетного диска. Химический состав диска соответствует звездному составу – там доминируют водород и гелий, а количество более тяжелых элементов невелико. Причем элементов группы CNO больше, чем Mg-Si-Fe, что объясняется свойствами термоядерных реакций в звездах и интенсивностью выброса разных продуктов синтеза в межзвездную среду. Поэтому все массивные планеты – газовые, а ледяные в среднем тяжелее каменных.

Если планета сформировалась вдали от звезды, за снеговой линией, то около половины состава (без учета атмосферы) придется на воду и другие «льды», а половина – на более тяжелые элементы. При формировании внутри снеговой линии доля льдов мала (скажем, сейчас вода в составе Земли составляет 0,02 % по массе). Около двух третей приходится на силикаты, а оставшаяся треть – на элементы группы железа.

Основные компоненты планет – это водородно-гелиевые газовые оболочки, «льды» и «камни».

Данные наблюдений позволяют выделить четыре основных типа планет. Первый – это газовые гиганты, примером которых является Юпитер. Второй – ледяные гиганты, подобные Нептуну. Третий – сверхземли, планеты с массами от нескольких земных до долей нептунианской. И, наконец, четвертый – это железно-каменные планеты типа Земли.

Среди планет-гигантов можно выделить несколько подклассов. Во-первых, это так называемые горячие юпитеры. Так называют массивные газовые планеты, располагающиеся вблизи своих звезд (орбитальные периоды их составляют менее нескольких дней). Анализ показывает, что число таких планет невелико, они имеются лишь около 1 % звезд солнечного типа. Тем не менее, поскольку их легко наблюдать и методом транзитов, и методом лучевых скоростей, среди известных планет их доля велика. К этому типу относилась и первая достоверно обнаруженная планета около нормальной звезды – 51 Пегаса b.

Выделяют четыре основных типа планет: газовые гиганты, ледяные гиганты, сверхземли и землеподобные планеты.

Особенностью многих горячих юпитеров является относительно большой радиус: близость звезды приводит к высокой температуре их атмосфер, планета получает дополнительную энергию, и ее атмосфера «раздувается». Как именно происходит разогрев недр, остается предметом дискуссий. Некоторые из этих планет настолько близки к своим звездам, что их атмосферы начинают активно испаряться или перетекать на звезду.

Второй подгруппой газовых гигантов можно считать наиболее массивные планеты с массами около 10 масс Юпитера. В их недрах становится очень важным так называемое вырождение вещества. Интересным наблюдаемым проявлением этого является уменьшение радиуса планеты с ростом ее массы.

Ледяные гиганты типа Нептуна являются одним из самых распространенных типов планет. Причем они могут встречаться не только вдали от своих звезд, как их прототипы в Солнечной системе, но и вблизи звезд (горячие нептуны) – заведомо внутри снеговой линии. Это означает, что планеты существенно мигрировали в протопланетном диске от мест своего рождения к современному положению (это относится и к горячим юпитерам). У ледяных гигантов масса внешней водородно-гелиевой оболочки составляет менее половины массы планеты. Тяжелые элементы – Mg-Si-Fe – также не вносят основного вклада в полную массу. Доминируют углерод, кислород и азот, образующие (чаще всего в соединении с водородом) «жидкий лед» при высоком давлении.

Сюрпризом стало обнаружение сверхземель – возможно, самого распространенного типа планет в Галактике, которые при этом отсутствуют в Солнечной системе. Детальный анализ показывает, что более половины звезд спектральных классов от F до K имеют хотя бы одну планету с массой примерно от полутора до десятка земных на орбите с периодом от нескольких дней до нескольких месяцев.

Сверхземли являются самым разнообразным и многочисленным классом экзопланет.

Возможно, что состав и структура планет с массами от нескольких масс Земли до массы Нептуна могут быть весьма разными. По всей видимости, со временем можно будет надежно выделить несколько основных подгрупп. Первая – это собственно сверхземли, у которых доминирует твердое ядро (как у Земли). Вторая – это мини-нептуны, в составе которых много более легких элементов (льдов) и нередки мощные газовые оболочки, которые хотя и составляют лишь несколько процентов от полной массы, но зато вносят существенный вклад в видимый размер. Возможно, в третью, отдельную, подгруппу попадут так называемые планеты-океаны, в составе которых, как полагают, много воды в разной форме, но нет толстой атмосферы (такой как у мини-нептунов). В среднем среди этих трех подгрупп мини-нептуны должны быть самыми тяжелыми, а твердые сверхземли – самыми легкими. Однако есть и интересные исключения, которые плохо вписываются в общую картину. Это не слишком удивительно, если учитывать потенциальное разнообразие параметров протозвездных туманностей и возможные особенности образования планет в каких-то отдельных случаях.

Различие масс и состава планет приводит к разной средней плотности. Интересно, что наименьшая плотность наблюдается не у самых больших газовых гигантов. Чтобы набрать толстую газовую оболочку, необходимо массивное ядро, которое состоит из элементов тяжелее гелия. По этой причине не существует целиком водородно-гелиевых планет и, наоборот, очень массивных планет без водородно-гелиевых оболочек, кроме тех случаев, когда близость к звезде привела к испарению или стеканию внешних слоев. Поэтому самую низкую плотность имеют некоторые «недогиганты», у которых не успело сформироваться достаточно массивное ядро (примерно 10 масс Земли), однако они тем не менее смогли накопить путем аккреции достаточно толстую атмосферу.

Для формирования массивной планеты путем аккреции газа необходимо тяжелое ядро.

Необходимость массивного ядра для формирования газового гиганта объясняет и зависимость частоты встречаемости этих планет от так называемой металличности звезды, т. е. от доли элементов тяжелее гелия в ее составе. При низкой металличности в протопланетном диске недостаточно материала для создания массивных ядер. А вот частота встречаемости более легких каменных планет с массой порядка земной не демонстрирует сильной зависимости от звездной металличности.

Существенно, что структура планет-гигантов значительно меняется со временем. Происходит сжатие и оседание более тяжелых элементов ближе к центру. Например, гелий из внешних слоев может выпадать во внутренние. В результате такого процесса, к примеру, внешние слои Юпитера обеднены гелием. Перераспределение вещества приводит к значительному энерговыделению (а вот радиоактивный распад для планет-гигантов не вносит большого вклада в энерговыделение). Поэтому молодые гиганты могут быть больше и горячее, чем более проэволюционировавшие. С наблюдательной точки зрения это приводит к тому, что для больших планет с возрастами несколько десятков миллионов лет и менее можно получать прямые изображения в ИК-диапазоне, так как, с одной стороны, сами планеты являются достаточно яркими объектами, а с другой – в ИК-части спектра свет звезды уже не так мешает наблюдениям.

Для построения детальных моделей недр пока не хватает экспериментальных данных.

Представление о недрах планет во многом основано на расчетах, так как лабораторные эксперименты не позволяют воспроизвести даже условия в земных недрах, не говоря уже о центральных частях планет-гигантов. Однако даже существующие данные позволяют сделать интересные предсказания. Например, более массивные аналоги Земли должны иметь твердое железное ядро, что приводит к отсутствию мощного магнитного поля. При этом магнитное поле считается существенным фактором для развития сложных форм жизни, поскольку оно защищает планету от звездного ветра и предотвращает потерю газов из атмосферы. Поэтому железно-каменные, но при этом слишком массивные планеты (особенно вокруг красных карликов) не следует рассматривать как хорошие кандидаты в потенциально обитаемые планеты.