Земля оказалась исключением: астрономы выяснили, что у большинства планет в галактике нет привычного ядра

Субнептуны — планеты крупнее Земли, но уступающие по размерам Нептуну — считаются одним из самых распространённых типов миров в Млечном Пути. Однако, как выяснилось, внутреннее устройство этих объектов может кардинально отличаться от всего, что астрономы представляли раньше. Согласно новому исследованию, размещённому на платформе препринтов arXiv и в журнале The Astrophysical Journal, у субнептунов может вовсе не быть металлического ядра в привычном понимании этого слова.

Долгое время планетологи придерживались землеподобной модели: в центре — плотное металлическое ядро из железа, вокруг него — толстый слой горячей породы, а сверху — кора и атмосфера. Предполагалось, что и каменистые экзопланеты устроены примерно так же. Однако авторы новой работы рассчитали, как ведут себя водород, породообразующие минералы и железо при экстремальных давлениях и температурах внутри субнептуна, и обнаружили неожиданный эффект: при температурах выше 3700 градусов Цельсия водород и расплавленная порода перестают разделяться, подобно маслу и воде, а смешиваются в единую раскалённую массу.

Если водород составляет менее одного процента от общей массы планеты, она действительно формирует обособленное металлическое ядро, как Земля. Но если водорода оказывается больше, всё нутро планеты превращается в однородную смесь железа, породы и газа, которая тянется почти до самого центра. Ни выраженного ядра, ни отдельного слоя из породы в таком случае не существует.

Две загадки, которые объяснила новая модель

От внутреннего строения планеты напрямую зависит, как она остывает, как удерживает атмосферу и как меняется её размер со временем. Новая модель впервые объяснила сразу две наблюдаемые закономерности, с которыми прежние теории не справлялись. Первая — так называемый «зазор радиусов»: астрономы находят много суперземель — каменистых планет крупнее Земли — и много субнептунов, но почти не видят миров промежуточного размера между ними. Вторая — связь между размером планеты и периодом её обращения вокруг звезды. Обе эти особенности, как показали расчёты, естественно возникают, если допустить, что молодые субнептуны хранят значительную долю водорода в глубине перемешанных недр и постепенно, на протяжении сотен миллионов лет, отдают его в газовую оболочку по мере остывания.

У гипотезы есть и проверяемое следствие. Если водород действительно медленно «всплывает» из недр в атмосферу, молодые субнептуны должны сжиматься медленнее, чем предсказывают стандартные модели, и выглядеть несколько крупнее для своего возраста. Астрономы уже находят такие планеты у очень молодых звёзд возрастом в десятки миллионов лет, и именно в этих системах данный эффект можно измерить. Телескоп «Джеймс Уэбб» и новые программы поиска экзопланет смогут проверить это, отслеживая транзиты — моменты, когда планета проходит перед своей звездой и на короткое время чуть приглушает её свет.

При этом исследователи признают, что их модель описывает условия, которые учёные пока не могут полностью воспроизвести в лаборатории из-за колоссальных давлений и температур, поэтому часть выводов держится на теоретических расчётах. Эксперименты при высоком давлении уже приближаются к таким условиям, но окончательной проверки ещё нет. Кроме того, даже небольшая неопределённость в оценке того, сколько тепла сохраняют недра таких планет, способна заметно изменить расчёты.

Тем не менее главный вывод работы заставляет пересмотреть привычную картину. Если модель подтвердится, планеты с классическим ядром окажутся не универсальным правилом, а лишь одним из возможных вариантов строения. Земля в таком случае предстанет не образцом для большинства миров, а редким исключением среди них.