ДТП космических масштабов ведут к образованию планет плотнее стали, утверждают учёные

Среди 5500 обнаруженных во Вселенной экзопланет лишь горстка поражает воображение необычно высокой плотностью, которая превышает плотность стали. Эволюция планет до такого состояния остаётся загадкой, но учёные разработали интересную модель специфической трансформации экзопланет и доказали её моделированием на компьютере.

Экзопланета из пустыни горячих нептунов в представлении художника. Источник изображения: Ricardo Ramirez/University of Warwick

Непосредственно внимание учёных привлекла экзопланета TOI-1853b. Она чуть меньше Нептуна, но почти в два раза плотнее Земли. Эту огромную плотность невозможно объяснить традиционными путями эволюции экзопланет, которые мы открыли и наблюдаем. Очевидно, она сформировалась каким-то другим образом, вероятно, лишившись воды и атмосферы в процессе своей эволюции, оставив для нашего наблюдения фактически одно скальное ядро.

Как экзопланета TOI-1853b дошла до такого состояния, взялась понять группа специалистов под руководством физика Луки Напониелло (Luca Naponiello) из Римского университета Тор Вергата (Италия) и Бристольского университета (Великобритания).

«Эта планета очень удивительна! Обычно мы ожидаем, что планеты, образовавшиеся из такого количества породы, станут газовыми гигантами, такими как Юпитер, плотность которых похожа на плотность воды, — объяснил физик Цзинъяо Доу из Бристольского университета. — TOI-1853b имеет размер Нептуна, но её плотность выше, чем у стали. Наша работа показывает, что это может произойти, если во время формирования планеты происходили чрезвычайно энергичные столкновения планет. В результате этих столкновений часть лёгкой атмосферы и воды была удалена, а осталась обогащенная камнями планета с высокой плотностью».

Радиус TOI-1853b в 3,46 раза больше радиуса Земли, а радиус Нептуна составляет 3,88 радиуса Земли. На этом сходство заканчивается. Экзопланета обращается вокруг своей звезды-хозяйки, оранжевого карлика размером около 80 % от размера Солнца, раз в 1,24 дня. И если её радиус удивления не вызывает, то её масса действительно ставит в тупик: она в 73,2 раза больше массы Земли. Масса Нептуна, к примеру, составляет всего 17,15 масс Земли.

По расчетам специалистов, при таких размерах и массе плотность TOI-1853b составляет 9,7 г/см³. Средняя плотность Нептуна составляет 1,64 г/см³. Средняя плотность Земли — 5,15 г/см³. Плотность железа равна 7,87 г/см³, примерно такая же плотность и у стали. Поскольку малая плотность Нептуна объясняется большой протяжённостью его атмосферы, высочайшая плотность TOI-1853b намекает на едва ли не полное её отсутствие, как и отсутствие других не очень плотных веществ, например, воды.

Серия моделирований показала, что наиболее вероятным объяснением сверхплотности экзопланеты является высокоскоростное столкновение двух массивных, ещё формирующихся экзопланет, в результате которого они лишились атмосфер.

Сценарии образования TOI-1853b. Источник изображения: Napionello / Nature 2023

«Наш вклад в исследование заключался в моделировании экстремальных гигантских столкновений, которые могли бы удалить лёгкую атмосферу и воду (или лёд) с исходной большой планеты, чтобы создать экстремальную плотность, — пояснил физик Фил Картер из Бристольского университета. — Мы пришли к выводу, что исходное планетарное тело, скорее всего, должно было быть богато водой и испытать экстремальный удар со скоростью более 75 км/с, чтобы создать TOI-1853b в том виде, в котором она наблюдается».

Добавим, экзопланета TOI-1853b относится к редчайшему виду объектов в так называемой пустыне горячих нептунов. Это планеты размером с Нептун и находящиеся на очень коротких орбитах у своих звёзд. Таких планет единицы среди 5500 с чем-то известных нам экзопланет. Поэтому изучение TOI-1853b имеет особенную ценность. Это фактически экзотика в квадрате.