С помощью моделирования на суперкомпьютере ученые смогли объяснить, почему нам известно так мало экзопланет с радиусом около 1,8 радиуса Земли, а также почему во многих планетарных системах встречаются планеты сходного размера, орбиты которых находятся в резонансе. Оказалось, это связано с ранним формированием систем и планетарной миграцией.
Ученых, исследующих экзопланеты, волнуют две загадки. Одна из них заключается в том, что у планет, радиус которых больше, чем у Земли, но меньше, чем у Нептуна (так называемые суперземли и мини-нептуны), радиус большинства примерно в 1,4 или 2,4 раза больше, чем у Земли. Но при этом планеты с радиусом 1,8 радиуса Земли чрезвычайно редки.
Вторая загадка кроется в существовании планетарных систем с большим числом сходных по размеру планет, которые находятся в орбитальном резонансе. Такие, в частности, есть у звезд TRAPPIST-1 и Kepler-223.
Ученые из Университета Райса (США) объяснили эту особенность, используя моделирование эволюции планетарных систем. Кроме того, они показали, что модель формирования планет, включающая многочисленные столкновения, может привести к появлению нескольких планет похожего размера. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Авторы использовали суперкомпьютер, с помощью которого смогли воссоздать первые 50 миллионов лет развития планетарных систем. Согласно модели миграции планет, протопланетный диск, состоящий из газа и пыли и порождающий молодые планеты, активно взаимодействует с ними и притягивает ближе к родительским звездам.
В этом случае часто возникает орбитальный резонанс — ситуация, при которой орбитальные периоды нескольких планет соотносятся как натуральные числа. В результате планеты периодически сближаются, находясь в определенных точках своих орбит. Однако в течение нескольких миллионов лет протопланетный диск исчезает, и возникает орбитальная нестабильность, из-за которой планеты начинают сталкиваться друг с другом. Эти столкновения лишают их богатых водородом атмосфер.
Результаты моделирования показали, что малое количество планет с радиусом в 1,8 раза большим, чем у Земли, — действительно следствие планетарных миграций и соударений после исчезновения протопланетного диска. Системы, которым удалось сохранить первоначальную структуру и орбитальный резонанс, мы наблюдаем сейчас. К примеру, вокруг звезды в резонансе TRAPPIST-1 вращаются целых семь планет.
Таким образом, столкновения молодых планет, подобные тому, что образовало Луну, — вероятно, общий результат формирования планет. В своей статье ученые также сделали ряд прогнозов, которые можно будет проверить с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Например, они предположили, что части планет размером примерно в два раза больше Земли все же удалось сохранить свою изначальную богатую водородом атмосферу, а возможно, и воду.