Дмитрий Вибе: Алмаз и горячие сверх-Земли

Всего за несколько октябрьских дней мы узнали об экзопланетах столько, сколько не узнали за все предшествующие месяцы. Главная новость: теперь есть зачем лететь к ближайшей звезде.

Скажите, какие ассоциации вызывает у вас слово "углерод"? Наверняка что-то чёрное, пачкающееся. И это естественно: он же углерод. А уголь - это то, от чего приходится с разной степенью настойчивости отмываться. Образ мужественный, но эстетически малопривлекательный. Поэтому нечто космическое, предположительно богатое углеродом, систематически преподносится как алмазное. Чуть больше года прошло со времени прошлой бриллиантовой фантазии, и мир снова ослеплён блеском очередной алмазной планеты.

Героиня дня - планета 55 Рака e. В этой системе обозначений буква "a" зарезервирована за самой звездой, а следующими буквами обозначаются планеты в порядке их открытия (не в порядке удаления от звезды, как можно было бы подумать). В системе 55 Рака пять планет, и буквой "e" обозначена та из них, что обращается ближе всего к звезде.

Планета 55 Рака e была обнаружена в 2004 году, однако приходится признать, что ни один из её изначально определённых параметров не выдержал испытания временем. Одной из основных неточностей оказался неправильно определённый период. Опираясь на наблюдения, выполненные при помощи телескопа Хобби-Эберли (США), Барбара МакАртур (Техасский университет, США) и её коллеги определили, что колебания лучевой скорости звезды, предположительно вызванные тяготением близкой планеты с минимальной массой около 15 масс Земли, происходят с периодом около 2.8 суток. Однако в 2010 году Ребека Доусон и Дэниэл Фабрицки (Гарвардский астрофизический центр, США) предположили, что эта кажущаяся периодичность возникает из-за того, что данные о лучевой скорости фиксируются не непрерывно, а с периодом около суток (наблюдать-то можно только ночью). Учтя цикличность наблюдений, Доусон и Фабрицки получили для периода 55 Рака е вчетверо меньшую величину - всего около 0.7 суток.

Это уточнение подтвердилось в 2011 году, когда выяснилось, что планета "е" является затменной, то есть периодически а именно каждые 0.74 суток, проходит перед диском звезды и слегка затмевает её. Наблюдения затмений - это совсем не то, что наблюдения лучевых скоростей. Благодаря им вы получаете возможность посчитать не только массу планеты (метод лучевых скоростей даёт лишь нижнюю границу массы), но и её размер. Масса планеты оказалась равной 8.4 массы Земли, а диаметр превышает земной примерно в два раза.

Вот тут-то Никку Мадхусудхан (Йельский университет, США) и его коллеги и вывели на сцену углерод. Размер планеты данной массы зависит от её химического состава, в предположении, вполне естественном, что планета находится в состоянии гидростатического равновесия. Взгляните на первый рисунок из их статьи: при фиксированной массе минимальный размер будет иметь железная планета, а максимальный - водяная. Для "земного" силикатного состава планета 55 Рака е оказывается слишком большой. Эту проблему пытались решить, предположив, что её каменистое ядро окружено мощной водяной оболочкой. Для планеты, которая летает в 2 млн км от своей звезды (в 30 раз ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу), это предположение кажется достаточно странным.

Мадхусудхан с соавторами предложили более естественное решение. Сама звезда 55 Рака существенно более богата углеродом, чем Солнце. Если на Солнце углерод по числу атомов почти вдвое уступает кислороду, то в 55 Рака атомов углерода чуть больше, чем атомов кислорода. Правда, предупреждают авторы, оценки содержания C и O в звезде могут быть отягощены систематическими ошибками. Однако, если принять их как данность, а также допустить, что состав протопланетного вещества был похож на состав звезды, мы приходим к выводу, что и планетная система 55 Рака также может быть богата углеродом. Богата до такой степени, что именно углерод или его соединения составляют основу горных пород на планете "е".

Мадхусудхан и его коллеги смешивали в различных пропорциях железное ядро, мантию из карбида кремния или MgSiO₃ и углеродную кору и смотрели, какого размера планета должна при этом получаться. Оказалось, что в зависимости от массы железного ядра доля углерода и (или) карбида кремния в составе планеты варьируется от 10 чуть ли не до 100 процентов. Полностью обойтись без углерода удаётся только в предположении, что в составе планеты вообще нет железа. Это предположение и само по себе выглядит странно, а повышенное содержание железа в родительской звезде планеты (в два раза больше, чем на Солнце) делает его ещё более странным.

В общем, скорее всего, внешние слои 55 Рака е действительно богаты углеродом, но в какой форме? На этот вопрос модельные расчёты определённого ответа дать не могут; нужны наблюдения. К сожалению, в массовом сознании руководящую роль сыграло слово "алмаз", намеренно использованное авторами в пресс-релизе. И понеслись по прессе фантазии про алмазную планету! Из нескольких СМИ звонили и спрашивали, есть ли какие-то перспективы добычи. Говорили: "До неё же всего сорок световых лет!" Вот ведь как сильно бриллиантов хочется. Заголовки "Найдена графитовая планета", поди, такого ажиотажа не вызвали бы. К слову сказать, алмазная планета и примерная методика доставки алмазов с неё на Землю описаны ещё в 1950-е годы - в рассказе Тома Годвина "Необходимость - мать изобретения".

К сожалению, бриллиантовый дым заслонил подлинную важность этой работы - очередного шага к исследованию химии и эволюции "углеродных" дисков, о которых я писал в конце прошлой "алмазной колонки". Незамеченным прошло и вероятное обнаружение водородной атмосферы другой планеты из системы 55 Рака - планеты "b".

Коль скоро уж мы наблюдаем затмения звезды планетой "e", другие планеты тоже должны пролетать где-то перед звездой. Даже если сама планета и не оказывается точно перед звёздным диском, она может частично закрыть его своей атмосферой. Дэвид Эренрайх (Гренобльский институт планетологии и астрофизики, Франция) и его коллеги наблюдали звезду 55 Рака во время её затмений планетой "e" и предполагаемых нижних соединений с планетой "b".

В первом случае спектр звезды никак не изменился. Это означает, что у планеты "e" хоть сколько-нибудь значимой газовой оболочки нет, что вполне согласуется с её новыми "углеродными" моделями. А вот во время нижних соединений с планетой "b" в спектре звезды появляется заметная линия поглощения водорода, выдающая присутствие мощной планетой атмосферы.

Но безусловный хит прошедших дней - это планета у звезды альфа Центавра B. Мечтам о планетной системе у ближайшей к нам звезды уже много десятилетий. Не то чтобы пролететь четыре световых года нам было существенно проще, чем пролететь сорок. Но всё равно приятно было бы узнать, что для прямого исследования внесолнечных планетных систем достаточно преодолеть минимальное расстояние. Поэтому попытки найти планеты у Проксимы или у компонентов двойной системы альфа Центавра предпринимались уже неоднократно.

Надежды долгое время портила именно двойственность ближайшей к нам пары солнцеподобных звёзд. Считалось, что в двойных системах ни образование, ни устойчивое существование планетной системы невозможно. Открытия последних лет (и опять же последних дней) показывают, что планеты в кратных системах вовсе не являются такой уж экзотикой. Да что далеко ходить: 55 Рака тоже двойная. Поэтому ожидания касательно альфы Центавра не ослабевали.

И вот, наконец, успех! Четыре года кропотливых наблюдений на 3,6-метровом телескопе ESO при помощи лучшего спектрографа показали: у менее яркого и менее горячего из двух компонентов есть планетный спутник. Правда, это не совсем то, о чём мечталось. Тело с минимальной массой чуть больше массы Земли летает вокруг звезды всего в шести миллионах км от неё. Если это и "земля", то весьма горячая. Но лиха беда начало: открытия внесолнечных планет-гигантов тоже начинались с "горячих юпитеров".