Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Главный вопрос – состав атмосферы Kepler-22 b и величина ее парникового эффекта. Именно эти знания помогут понять условия на поверхности планеты и выяснить, существуют ли на ней водоемы. В условиях, когда данные, полученные из наблюдений, могут соответствовать разным мирам, астрофизики используют методы теории вероятностей, чтобы предсказать наиболее возможные характеристики исследуемой экзопланеты. Один из них состоит в следующем: на компьютере генерируется как можно больше вариантов системы звезда – компаньон (в роли последнего может быть планета или другая звезда) с различными массами и орбитами компаньона, а затем рассчитываются кривые блеска, которые получит наблюдатель с Земли в том случае, если его приборы будут идеальными. Далее реальная и рассчитанные кривые сравниваются между собой и вычисляется вероятность, с которой каждая рассчитанная кривая может превратиться в реальную с учетом погрешностей измерительных приборов. Мы не знаем, как эти погрешности взаимодействуют между собой, поэтому за редкими исключениями не можем исключить ни одну из конфигураций звезда – компаньон. Но каждая из конфигураций имеет свою вероятность. Суммируя эти вероятности, мы можем предсказывать характеристики планет, а самое главное – давать оценку своей уверенности в том или ином исходе.

Используя подобный подход, можно выяснить, например, что для Kepler-22 b существует вероятность лишь 0,3 %, что ее масса превысит 124 M_⊕; 95 % – что она меньше 82 M_⊕, и 68 % – что меньше 36 M_⊕. К сожалению, почти на 100 % исключается землеподобный состав планеты – скорее всего, это газовый гигант. Kepler-22 b стал первым обнаруженным мини-Нептуном.

Даже несмотря на то что экзопланета Kepler-22 b совершенно не похожа на Землю, ее открытие было воспринято с большим энтузиазмом и вызвало оживленные дискуссии в научном сообществе. Конечно, всех волновал вопрос, могут ли на Kepler-22 b сложиться условия, подходящие для существования жизни. На волне активных обсуждений популярное мнение озвучила Натали Баталья, ученый-исследователь, член команды телескопа «Кеплер»: «Если эта планета представляет собой в основном океан с небольшим скалистым ядром, то не исключено, что в таком океане может быть жизнь».

Ключом к пониманию внутреннего устройства экзопланет служит их средняя плотность. Если значение средней плотности суперземли оказывается меньше или сравнимо с плотностью воды, то перед нами мини-Нептун. Если же средняя плотность больше плотности воды – уверенно говорить об устройстве планеты сложнее. С одинаковой вероятностью это может быть и мини-Нептун с каменистым ядром, и планета-океан.

Многие привыкли думать, что Земля, наша голубая планета, имеет огромные запасы воды. Это так, конечно, но только если мерой выступают потребности людей. Хотя на поверхности Земли, в океанах и полярных шапках сконцентрированы большие запасы воды, они составляют лишь 0,05 % массы Земли. Но что может представлять собой планета, масса воды которой в 10–100 раз больше, чем у Земли?

Если температура на планете ниже температуры замерзания воды, то она покроется коркой льда. Такая планета могла бы промерзнуть насквозь, если бы не ее внутренние источники тепла: жар, оставшийся со времен ее образования, и тепло от распада радиоактивных элементов. Они будут подогревать океан, замедляя процесс замерзания или не давая ему продолжаться. Условия на такой планете не сильно отличаются от тех, что сложились на ледяных лунах Юпитера и Сатурна. А если постепенно перемещать ее ближе к родительской звезде, то климат будет становиться все теплее и теплее. Когда планета окажется на орбите, находящейся в зоне обитаемости, ее льды растают и она полностью покроется жидкой водой. Этот условный тип планет принято называть планетами-океанами. Перемещая такую планету еще ближе к звезде, мы увидим, что вода на ней начнет интенсивно испаряться. И она станет похожей на горячую влажную баню.

Сегодня известно как минимум о шести экзопланетах, которые, вероятно, являются водными мирами. Первой такой планетой, обнаруженной в декабре 2009 года, стала Глизе 1214 b в 42 св. годах от Земли¹⁰⁵. Также она является первой суперземлей (2,7 R_⊕), найденной на орбите вокруг красного карлика. Эту планету открыли транзитным методом, с помощью спектрографа HARPS удалось точно измерить ее массу (6,55 M_⊕). Вычисление средней плотности планеты дало значение 1,9 г/см³ – слишком большое для мини-Нептунов, но слишком маленькое для каменистой планеты. Хорошо объясняет такую плотность смешанный состав экзопланеты: небольшое каменное ядро и газовая и/или водяная оболочка, покрывающая всю планету на тысячи километров вглубь.