Средноголемите екзопланети: водни светове или газови джуджета

В Слънчевата система няма планета с размер между Земята и Нептун, а около други звезди такива планети има много. Статия в „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) от 2019 г. предложи отговор какво представляват те. Водещ автор е Ли Цзън (Li Zeng) от Харвардския университет, а към него са още 15 съавтори. Според групата голяма част от планетите с радиус от 2 до 4 земни радиуса са „водни светове“. Тогавашните заглавия говореха за планети „изцяло от вода“, което е преувеличение: става дума за скалисто ядро, около което има много лед и течност, в която преобладава водата.

Какво твърдеше статията

Мисията „Кеплер“ измери радиусите и орбиталните периоди на над 4000 потвърдени и кандидат-планети. Радиусите се групират в два пика. След като данните от космическата обсерватория „Гея“ уточниха параметрите на звездите, между пиковете се очерта празнина при 1,8–2 земни радиуса. От едната ѝ страна са свръхземите (1–2 радиуса), от другата – субнептуните (2–4 радиуса).

За планетите от втората група има две обяснения. Те могат да бъдат „газови джуджета“: скалисто ядро, обвито в газ от водород и хелий. Или „водни светове“, в които освен скали има много лед и течност, доминирана от водата. Самите автори признават, че връзката между маса и радиус сама не различава двата случая, затова привеждат няколко довода.

Първо, планета с маса 10–15 земни маси, наполовина лед и наполовина скала, би имала радиус около 2,5 земни радиуса – точно при втория пик. Второ, всяка планета в интервала 2–4 радиуса има газова обвивка най-много от няколко процента от масата си, независимо от състава на ядрото. Трето, в протопланетния диск отвъд т.нар. снежна линия ледът е в количество, сравнимо със скалите, така че планетите, които растат там и после мигрират към звездата, могат да са наполовина ледени. Авторите добавят и че при орбитални периоди над около 10 дни двете групи са разпределени по орбитите си равномерно (по логаритъм на периода). Според тях това трудно се съгласува с обяснение само с изпаряване на газовата обвивка, защото то зависи силно от разстоянието до звездата.

Накрая екипът пуска компютърна симулация по метода на Монте Карло. Дискът е със слънчев състав, а в ледените ядра ледът е между 1/2 и 2/3 от масата. Съотношението на скалистите към ледените ядра е около 1 към 2, колкото е и съотношението между свръхземите и субнептуните. Симулацията възпроизвежда двойния пик на радиусите. Изводът: планетите от 2 до 4 радиуса съдържат над една четвърт, а възможно и над половината от масата си лед и течности, доминирани от водата. Тук не става дума за обикновен океан: при налягането в недрата авторите допускат смес от течности и твърди фази, включително суперйонен лед.

Какво показаха следващите години

Идеята предизвика спор, който не е толкова за математиката, колкото за прочита на числата. През 2022 г. Рафаел Луке и Енрик Палье (Rafael Luque, Enric Pallé) анализираха масите и радиусите на всички известни малки транзитни планети около червени джуджета и намериха три групи: скалисти, богати на вода и богати на газ. Според тях скалистите и водните се разграничават по плътност, а не по радиус, а богатите на вода планети се образуват отвъд снежната линия и мигрират навътре.

През 2023 г. Джеймс Роджърс, Хилке Шлихтинг и Джеймс Оуен (James Rogers, Hilke Schlichting, James Owen) показаха, че скалисто ядро с водородно-хелиева атмосфера, изгубила част от газа под звездното излъчване, дава същата зависимост между маса и радиус като „воден свят“ със силикати и лед на половина. Заглавието на статията им казва, че убедително доказателство за популация водни светове около червени джуджета „остава неуловимо“. Масата и радиусът сами не определят състава.

Допълнителни сведения дават атмосферите, наблюдавани с космическия телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST). Две планети дадоха различни отговори.

GJ 9827 d има радиус 1,98 земни радиуса и равновесна температура около 620 K. Екип с водещ автор Каролин Пиоле-Жорайеб (Caroline Piaulet-Ghorayeb) откри вода в атмосфера, силно обогатена с тежки елементи, в която водната пара е основният газ с обемен дял над 31 %. Не беше засечен и изтичащ хелий. Авторите предпочитат обяснението с „парен свят“ пред газово джудже и оценяват водната обвивка на 20–40 % от масата на планетата.

TOI-270 d е с радиус около 2,2 земни радиуса, маса 4,78 земни маси и температура 350–380 K. В препринт от март 2024 г. екипът на Бьорн Бенеке (Björn Benneke) съобщава за метан (с достоверност 9,4 сигма), въглероден диоксид (4,8 сигма) и вода (2,5 сигма). Около 58 % от масата на атмосферата са елементи, по-тежки от хелия, но те са смесени с водорода и хелия в един слой. Ако целият външен слой е смесен така, вътрешността е около 90 % скала и желязо. Авторите допускат, че високото съдържание на тежки елементи може да идва от реакции между магмен океан и обвивката, без да е нужно много лед.

Защо въпросът остава открит

Двата резултата не потвърждават и не опровергават общата теза от 2019 г. Атмосферата показва само външния слой на планетата, а вътрешността се извежда от модели. Не е известно и каква част от субнептуните са водни светове. Остава открит и въпросът за самата празнина между свръхземите и субнептуните: идва ли тя от начина, по който са се образували планетите, или от изпаряване на газ. Авторите на статията от 2019 г. сами пишат, че причината за нея се обсъжда.