Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

О последних трех стало известно в 1997 году. Среди них была HR 3522b — планета чуть меньше Юпитера с периодом обращения 14 суток. Авторы журнальной публикации о находке использовали обозначение, которое она получила при включении в Йельский каталог ярких звезд (HR). Впоследствии за ней закрепилось название «55 Рака b», указывающее на то, что это была первая планета, найденная рядом с 55-й звездой в созвездии Рак. Новая планета была примечательна уже тем, что была одной из первых известных нам планет за пределами Солнечной системы. Но было еще кое-что, выделявшее из общего ряда. Так случилось, что 55 Рака b стала первой планетой, обнаруженной в системе, которая выходила за рамки даже самых смелых наших фантазий об инопланетных мирах.

В течение 10 лет с открытия 55 Рака b на орбитах вокруг той же самой звезды было обнаружено еще четыре планеты. Таким образом, 55 Рака стала первой известной нам звездой с пятью планетами и одной из трех звезд, рядом с которыми были найдены первые суперземли с такой же массой, как у Нептуна. Масса 55 Рака e равна приблизительно 8 массам Земли (48% массы Нептуна). У нее исключительно короткий период обращения — всего лишь 18 часов, а расстояние от нее до звезды составляет 5% расстояния от Меркурия до Солнца.

В ходе наблюдений за 55 Рака выяснилось, что она является частью двойной системы. Другая звезда этой системы — менее массивный красный карлик, находящийся на расстоянии более 1000 а.е. Несмотря на маленький размер и удаленность, которые не позволяют ему влиять на планеты, формирующиеся вокруг более крупной сестры, красный карлик, судя по всему, является источником постоянного притяжения, ставя всю планетную систему с ног на голову.

Производимый им эффект аналогичен эффекту Козаи — Лидова, с которым мы познакомились в главе 5, когда рассматривали его роль в перемещении горячих юпитеров к звездам за счет взаимодействия со звездой-компаньоном. В системе 55 Рака гравитационные притяжения соседних миров удерживают орбиты планет вместе таким образом, что вся система переворачивается одновременно, как при выступлении команды по синхронному плаванию. Если бы мы могли взглянуть на небо с поверхности этих планет, из-за совершаемого всей планетной системой кульбита нам бы показалось, что созвездия медленно движутся. Правда, чтобы заметить это, нам пришлось бы задержаться там надолго: для полного переворота требуется около 30 млн лет.

Но самое необычное в этой системе — свойства присутствующей в ней суперземли 55 Рака e. Как и остальные планеты, 55 Рака e была обнаружена методом измерения колебаний лучевой скорости звезды. В 2011 г. также удалось зафиксировать прохождение суперземли по диску звезды с помощью космического телескопа NASA «Спитцер». И вот еще одно «впервые» для этой планетной системы: звезду 55 Рака можно наблюдать невооруженным глазом; а значит, прохождение ближайшей к ней планеты стало первым зафиксированным случаем прохождения по диску звезды, которую можно увидеть без телескопа. Проведенные измерения радиуса и угла наклона орбиты позволили определить массу планеты. Выяснилось, что эта суперземля на 20% больше Земли при радиусе, равном 2,2 радиуса нашей планеты. В очередной раз исследователи получили результат, который казался совершенно абсурдным.

Вычислить плотность 55 Рака e при наличии массы и радиуса не составило труда — она равна 4 г/см³. Учитывая радиус, следовало бы предположить, что планета является мини-нептуном[11]. Но полученное значение плотности было слишком большим для газового мира с обширной водородно-гелиевой атмосферой. Плотность мини-нептуна с массой, равной 8 массам Земли, не должна превышать 1,3 г/см

³. С другой стороны, при такой массе планета с твердой внутренней частью, как у Земли, также не может иметь плотность 4 г/см³. Хотя плотность Земли в среднем приближается к 5,5 г/см³

, на планете с массой, которая в 8 раз больше, горные породы должны сжаться до значения свыше 8,5 г/см³. Таким образом, 55 Рака e была слишком мала для газового мира и слишком велика для каменистого. Чем же она была на самом деле?

Если эта суперземля является планетой с твердой оболочкой, она должна состоять из тех же элементов, что и планеты земной группы. То есть основными ее составляющими должны быть железо и силикаты. Минимальный возможный размер при такой массе будет иметь планета, в составе которой не будет ничего, кроме железа. В планете максимального размера железа не будет совсем — его заменят более легкие силикатные породы. Обе крайности маловероятны. Учитывая, что элементы планет земного типа конденсируются в твердые породы практически при одной и той же температуре, все они принимают участие в формировании планеты. Например, 30% массы Меркурия — нашей самой горячей и богатой железом планеты — до сих пор приходится на мантию из силикатных пород. Но, даже если допустить возможность реализации самых маловероятных сценариев, все равно результат будет меньше, чем у 55 Рака e.