Космические ясли обнаружены: как на самом деле рождаются новые планеты

Исследователи из Университета Райса разработали принципиально новую модель формирования экзопланет определенного типа. Речь идет о супер-Землях и мини-Нептунах – планетах, превышающих размер нашей планеты в 1-4 раза. Такие космические тела оказались самыми распространенными в Млечном Пути, однако механизм их образования долгое время оставался предметом научных споров.

На протяжении десятилетий астрономы полагали, что планетезимали – небольшие твердые тела размером от нескольких метров до сотен километров – формировались в обширных областях протопланетного диска, окружавшего молодую звезду. Однако новое исследование Сё Сибаты и Андре Изидоро, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, предлагает иной взгляд на этот процесс.

Для проверки своей гипотезы ученые применили особый тип компьютерного моделирования – N-body симуляции. Эта технология позволяет отслеживать движение и взаимодействие множества объектов под действием гравитации. В отличие от упрощенных моделей, такой подход учитывает влияние каждого тела на все остальные, что делает симуляцию максимально приближенной к реальности.

Компьютерная модель исследовала два ключевых региона формирования планет. Первый находится на расстоянии до 1,5 астрономических единиц от звезды. В этой зоне температура слишком высока для существования водяного льда, поэтому здесь преобладают каменистые материалы и металлы. Второй регион располагается за пределами 5 а.е., за линией замерзания воды – границей, где температура падает настолько, что вода может существовать в виде льда.

Линия замерзания воды играет критическую роль в процессе планетообразования. За этой границей ледяные частицы активно участвуют в формировании планет, существенно увеличивая доступное количество строительного материала. Кроме того, наличие льда меняет физические свойства пыли, влияя на эффективность её слипания в более крупные объекты.

Моделирование показало принципиально разные механизмы роста планет в этих зонах. Во внутреннем регионе супер-Земли формируются преимущественно через прямые столкновения крупных планетезималей. Этот процесс приводит к образованию плотных каменистых планет с тонкой или отсутствующей атмосферой. За линией замерзания воды доминирует иной механизм – аккреция пыли и мелких частиц. Благодаря обилию льда и более эффективному захвату материала здесь вырастают мини-Нептуны с обширными газовыми оболочками.

Особенно интересным оказалось объяснение "радиусной долины" – загадочного провала в распределении размеров экзопланет. В диапазоне около 1,8 радиуса Земли планеты практически не встречаются. Новая модель показывает: это не случайность, а прямое следствие двух различных механизмов формирования. Планеты меньше 1,8 радиуса Земли образуются во внутреннем кольце и остаются преимущественно каменистыми. Более крупные тела возникают во внешнем кольце, где доступность льда и эффективная аккреция пыли позволяют им набрать значительную массу и удержать плотную атмосферу.

Феномен "горошин в стручке" – поразительного сходства размеров планет в одной системе – также получил элегантное объяснение. В каждом кольце условия формирования остаются практически идентичными. Планеты получают доступ к схожему количеству строительного материала и проходят одинаковые этапы роста, что естественным образом приводит к близким размерам.

Распределение орбит в смоделированных системах точно соответствует наблюдаемому в реальных экзопланетных системах. Это не просто совпадение: планеты действительно предпочитают формироваться на определенных расстояниях от звезды, где условия оптимальны для концентрации материала и его последующего объединения в крупные тела.

На поздних этапах формирования планетных систем важную роль играют гигантские столкновения. Именно такое событие, вероятно, привело к образованию системы Земля-Луна. Новая модель показывает: подобные столкновения могут создавать условия для формирования планет земного типа даже в системах, где доминируют супер-Земли и мини-Нептуны.

По расчетам исследователей, около 1% таких систем может содержать потенциально обитаемые планеты земного типа. В масштабах галактики это дает внушительную цифру: одна землеподобная планета на каждые 300 звезд, похожих на Солнце. Хотя такие планеты встречаются относительно редко, их общее количество в галактике может исчисляться миллионами.

Следующим этапом станет проверка предсказаний модели с помощью нового поколения телескопов. Особый интерес представляют области на расстоянии одной астрономической единицы от звезд – аналоги земной орбиты. Современные инструменты пока не позволяют детально исследовать эти регионы, но будущие обсерватории смогут проверить, действительно ли там формируются планеты согласно предсказаниям модели.

Если наблюдения подтвердят теорию, это кардинально изменит понимание процессов формирования планет. Вместо хаотичного накопления материала по всему протопланетному диску мы увидим упорядоченный механизм, действующий по четким правилам. Такое понимание не только прояснит историю формирования известных планетных систем, но и поможет в поиске потенциально обитаемых миров.