Новая модель объясняет две загадочные планетарные тайны
Иллюстрация типов экзопланет

Иллюстрация вариаций среди более чем 5000 известных экзопланет, открытых с 1990-х годов. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

Новая модель объясняет редкость планет с массами, находящимися между суперземлями и мини-нептунами.

Новая модель, учитывающая различные силы, действующие на новорожденные планеты, может объяснить два загадочных наблюдения, которые наблюдались среди более чем 3800 известных планетарных систем.

Первая загадка, «долина радиуса», относится к необычному дефициту экзопланет с радиусом примерно в 1,8 раза больше, чем у Земли. Согласно наблюдениям, проведенным космическим кораблем НАСА «Кеплер», планеты такого размера встречаются примерно в 2-3 раза реже, чем суперземли (с радиусом примерно в 1,4 раза больше земного) и мини-Нептуны (с радиусом примерно в 2,5 раза больше земного). Вторая загадка, известная как «горох в стручке», связана с наличием соседних планет аналогичного размера в сотнях планетных систем, включая TRAPPIST-1 и Kepler-223, которые также имеют орбиты с почти музыкальной гармонией.

«Я считаю, что мы первые, кто объяснил долину радиуса с помощью модели формирования планет и динамической эволюции, которая самосогласованно объясняет множественные ограничения наблюдений», — сказал Андре Изидоро из Университета Райса, автор исследования, недавно опубликованного в журнале Astrophysical . Журнальные письма . «Мы также можем показать, что модель формирования планет, включающая гигантские удары, согласуется с особенностью экзопланет как горошины в стручке».

Иллюстрация Супер Земного Разрыва

Иллюстрация, показывающая нехватку экзопланет примерно в 1,8 раза больше Земли, которые наблюдались космическим кораблем НАСА «Кеплер». Предоставлено: А. Изидоро/Университет Райса.

Изидоро, аспирант из Уэльса в проекте Rice CLEVER Planets, финансируемом НАСА, и его соавторы использовали суперкомпьютер для моделирования первых 50 миллионов лет развития планетных систем с использованием модели миграции планет. В модели протопланетные диски из газа и пыли, порождающие молодые планеты, также взаимодействуют с ними, притягивая их ближе к родительским звездам и замыкая в резонансные орбитальные цепочки. Цепи разрываются в течение нескольких миллионов лет, когда исчезновение протопланетного диска вызывает орбитальную нестабильность, из-за которой две или более планет сталкиваются друг с другом.

Андре Изидоро

Андре Изидоро (André Izidoro) — докторант из Уэльса в проекте CLEVER Planets Университета Райса, финансируемом НАСА. Предоставлено: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

Модели планетарной миграции использовались для изучения планетных систем, сохранивших свои резонансные орбитальные цепочки. Например, Изидоро и его коллеги из CLEVER Planets использовали модель миграции в 2021 году, чтобы рассчитать максимальное количество разрушений, которые семипланетная система TRAPPIST-1 могла выдержать во время бомбардировки и при этом сохранить свою гармоничную орбитальную структуру.

В новом исследовании Изидоро сотрудничал с исследователями CLEVER Planets Радждипом Дасгуптой и Андреа Изелла из Райс, Хильке Шлихтинг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также Кристианом Циммерманном и Бертрамом Битчем из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия. .

«Миграция молодых планет к своим звездам создает перенаселенность и часто приводит к катастрофическим столкновениям, которые лишают планеты их богатых водородом атмосфер», — сказал Изидоро. «Это означает, что гигантские столкновения, подобные тому, что образовал нашу Луну, вероятно, являются общим результатом формирования планет».

Исследование предполагает, что планеты бывают двух «разновидностей»: суперземли, сухие, каменистые и на 50% больше Земли, и мини-Нептуны, богатые водяным льдом и примерно в 2,5 раза больше Земли. Изидоро сказал, что новые наблюдения, кажется, подтверждают результаты, которые противоречат традиционному мнению, что и суперземли, и мини-Нептуны — это исключительно сухие и каменистые миры.

Основываясь на своих выводах, исследователи сделали прогнозы, которые можно проверить с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА . Они предполагают, например, что часть планет размером примерно в два раза больше Земли сохранит свою изначальную богатую водородом атмосферу и будет богата водой.

Ссылка: «Долина радиуса экзопланеты от газовой миграции планет и разрыва резонансных цепей» Андре Изидоро, Хильке Э. Шлихтинг, Андреа Иселла, Радждип Дасгупта, Кристиан Циммерманн и Бертрам Битш, 2 ноября 2022 г., Письма в астрофизический журнал .
DOI: 10.3847/2041-8213/ac990d

Исследование финансировалось НАСА, Фондом Уэлча и Европейским исследовательским советом.

астрономия
Дата публикации: 2023.01.02