Учени установиха, че повечето планети в нашата галактика може да нямат ядро

Един от най-разпространените типове планети в Млечния път са субнептуните – тела, по-големи от Земята, но по-малки от Нептун. Според ново изследването, публикувано на платформата arXiv и в списанието The Astrophysical Journal, те може да нямат ядро в обичайния смисъл на думата. Ако планетата е натрупала достатъчно водород, нейните недра не се разделят на ядро и мантия, а представляват единна разтопена смес от желязо, гореща скала и водород, в която всички компоненти са смесени.

Новият модел за първи път обяснява редица наблюдавани свойства на екзопланетите, които не беше възможно да се обяснят по-рано.

Земята е устроена по познатата схема: в центъра – плътно метално ядро от желязо, около него – дебел слой гореща скала, наречен мантия, а отгоре – кора и тънка атмосфера. Дълго време се смяташе, че скалистите екзопланети са устроени по същия начин и се различават само по количеството газ над слоя твърда скала. Авторите на новото проучване изчислиха как се държат водородът, скалообразуващите минерали и желязото при екстремни налягания и температури във вътрешността на субнептуните. Оказа се, че при температури над 3700°C водородът и разтопената скала престават да се разделят като масло и вода и се смесват в една разтопена маса.

Ако водородът съставлява по-малко от 1% от масата на планетата, тя образува обособено метално ядро, както Земята. Ако водородът обаче е повече, цялото вътрешност на планетата се превръща в хомогенна смес от желязо, скали и водород, която се простира почти до самия център. Няма нито ясно изразено ядро, нито отделен слой от скали.

От вътрешната структура зависи как планетата се охлажда, как задържа атмосферата си и как се променя размерът ѝ с времето. Новият модел обяснява закономерности, с които предишните представи за вътрешното устройство на планетите не се справяха. Един от тези признаци е така нареченият радиусен разрив. Астрономите откриват много суперземи – скалисти планети, по-големи от Земята и много субнептуни, тоест светове, по-малки от Нептун, но със забележима газова обвивка. Но планети с размер между тях почти няма. Тази празнина в статистиката беше показана от наблюденията на космическите телескопи на НАСА „Кеплер“ и „Джеймс Уеб“. Друга закономерност е връзката между размера на планетата и времето, за което тя прави една обиколка около своята звезда.

И двете особености възникват естествено, ако приемем, че младите субнептуни съхраняват значителна част от водорода в дълбините на премесените недра и постепенно го отделят в газовата обвивка с охлаждането. Водородът фактически изплува от скалата в продължение на стотици милиони години.

Хипотезата има проверимо следствие. Ако водородът постепенно се отделя от дълбините на планетата в атмосферата, младите субнептуни трябва да се свиват по-бавно, отколкото предсказват стандартните модели и да изглеждат малко по-големи, отколкото се очаква за тяхната възраст. Астрономите вече откриват субнептуни около много млади звезди на възраст от десетки милиони години, и именно в такива системи този ефект може да бъде измерен. Телескопът „Джеймс Уеб“ и новите програми за търсене на екзопланети ще могат да проверят тази хипотеза чрез наблюдения. Те ще проследяват транзитите – моментите, когато планета преминава пред своята звезда и за кратко време леко затъмнява нейната светлина. Въз основа на тези данни астрономите ще могат по-точно да измерят размерите на младите субнептуни и да ги сравнят с изчисленията на модела.

Моделът има важни ограничения. Той описва условията вътре в субнептуните – огромни налягания и температури, които учените все още не могат напълно да възпроизведат лабораторно, затова част от заключенията се основават на теоретични изчисления. Експериментите при високо налягане вече се доближават до такива условия, но все още няма окончателна проверка. Има и друга несигурност: не знаем точно колко топлина запазват недрата на такива планети. Дори малка грешка в тази оценка може значително да промени изчисленията. Освен това авторите са тръгнали от наблюденията към причината. Те са разгледали кои екзопланети вече са открити, как са разпределени техните размери, и са се опитали да разберат кои вътрешни процеси биха могли да доведат до такава картина. Това дава общ статистически модел, но не позволява с увереност да се опише структурата на всяка отделна планета.

Въпреки това, основният извод от изследването променя обичайната картина. Много планети в нашата галактика могат да са устроени по различен начин от Земята. Свикнали сме да си представяме скалистата планета като система от слоеве: плътно метално ядро, около него мантия, отгоре атмосфера, но за субнептуните, един от най-разпространените класове екзопланети, такава схема може да не е подходяща. Ако моделът се потвърди, планетите с познатото ядро ще се окажат не универсално правило, а един от вариантите на структура. В този случай Земята няма да бъде образец за повечето светове, а изключение сред тях.