Більшість планет нашої галактики може не мати ядра

Субнептуни — планети, більші за Землю, але менші за Нептун — є одним із найпоширеніших типів небесних тіл у Чумацькому Шляху. Однак нове дослідження, опубліковане на платформі препринтів arX­iv та в журналі The Astro­phys­i­cal Jour­nal, ставить під сумнів те, як саме вони влаштовані всередині. За висновками вчених, більшість таких планет може не мати ядра у звичному розумінні.

Земля побудована за класичною схемою: у центрі — щільне металеве ядро із заліза, навколо нього — гаряча мантія, зверху — кора й атмосфера. Довго вважалося, що кам’янисті екзопланети влаштовані так само, лише з різною кількістю газу над твердою поверхнею. Проте автори дослідження прорахували поведінку водню, залізa та породоутворювальних мінералів за екстремальних тисків і температур усередині субнептунів. Виявилося, що вже за температури понад 3700 °C водень і розплавлена порода перестають розділятися та зливаються в єдину розпечену масу.

Вирішальну роль відіграє частка водню в складі планети. Якщо його менше одного відсотка від загальної маси — формується відокремлене металеве ядро, як у Землі. Якщо більше — надра перетворюються на однорідну суміш заліза, породи та водню, що простягається майже до самого центру. Ні вираженого ядра, ні окремого шару мантії.

Від внутрішньої будови залежить, як планета охолоджується, утримує атмосферу та змінює розміри з часом. Нова модель пояснює закономірності, з якими не справлялися попередні теорії. Зокрема, вона дає відповідь на загадку так званого розриву радіусів: телескопи NASA Kepler і «Джеймс Вебб» (James Webb) зафіксували, що суперземель і субнептунів у галактиці багато, а от планет проміжного розміру між ними майже немає. Нова модель також пояснює зв’язок між розміром планети та тривалістю її орбітального періоду.

Обидві закономірності виникають природно, якщо допустити, що молоді субнептуни зберігають значну частку водню в глибині перемішаних надр і поступово віддають його в газову оболонку по мірі охолодження. Фактично водень «спливає» з породи протягом сотень мільйонів років.

Гіпотезу можна перевірити спостереженнями. Якщо водень справді повільно виділяється з глибин у атмосферу, молоді субнептуни мають стискатися повільніше, ніж передбачають стандартні моделі, і виглядати дещо більшими, ніж очікується для їхнього віку. Телескоп «Джеймс Вебб» і нові програми пошуку екзопланет зможуть перевірити це, відстежуючи транзити — моменти, коли планета проходить перед зіркою та злегка притінює її світло. Саме такі дані дозволять точніше виміряти розміри молодих субнептунів і зіставити їх із розрахунками.

Модель має свої обмеження: вона спирається на теоретичні розрахунки, адже відтворити в лабораторії тиски й температури з надр субнептунів поки що неможливо. Крім того, автори рухалися від спостережень до причини — аналізували вже відомі екзопланети й намагалися зрозуміти, які внутрішні процеси могли сформувати таку картину. Це дає статистичну модель, але не дозволяє з упевненістю описати будову кожної окремої планети.