Суперземли и мини-нептуны: возможно, есть планеты, похожие на Землю

Динамическая эволюция планетной системы близких суперземель и мини-нептунов и планеты земного типа на расстоянии 1 а.е. Она показывает эволюцию большой полуоси планет, выживших в конце моделирования в M6T2. Размер каждой точки при t = 50 млн лет линейно масштабируется с конечным радиусом планеты, а цвет соответствует ее доле массы воды. Каменистая планета на расстоянии около 1 а.е. имеет массу 0,46M_⊕ и испытала гигантское столкновение с объектом массой около 0,04M_⊕ примерно в 35 млн лет. Это похоже на событие формирования Луны в Солнечной системе. Серые линии показывают перицентр и апоцентр ударника. Тонкие серые линии показывают орбиты оставшихся планетарных семян. Автор: The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ada3d1

Новое исследование исследователей из Университета Райса Шо Шибата и Андре Изидоро представляет убедительную новую модель формирования суперземель и мини-нептунов — планет, которые в 1–4 раза больше Земли и являются одними из самых распространенных в нашей галактике. Используя передовые симуляции, исследователи предполагают, что эти планеты возникают из отдельных колец планетезималей, что дает новый взгляд на эволюцию планет за пределами нашей солнечной системы. Результаты были недавно опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Ученые десятилетиями спорят о том, как формируются суперземли и мини-нептуны. Традиционные модели предполагают, что планетезимали — крошечные строительные блоки планет — образовались в обширных областях диска молодой звезды. Но Шибата и Изидоро предлагают другую теорию: эти материалы, вероятно, объединяются в узкие кольца в определенных местах диска, делая формирование планет более организованным, чем считалось ранее.

«Эта работа особенно значима, поскольку она моделирует формирование суперземель и мини-нептунов, которые считаются наиболее распространенными типами планет в галактике», — сказал Шибата, научный сотрудник по наукам о Земле, окружающей среде и планетам. «Одним из наших ключевых выводов является то, что пути формирования солнечной системы и экзопланетных систем могут иметь фундаментальные сходства».

Используя передовые симуляции N-тел — компьютерные модели, анализирующие, как объекты взаимодействуют посредством гравитации, — исследователи изучали формирование планет в двух различных регионах: один в пределах 1,5 астрономических единиц (а.е.) от родительской звезды, а другой за пределами 5 а.е., около линии снега воды. Моделирование отслеживало столкновения, рост и миграцию планетезималей на протяжении миллионов лет. Результаты показали, что суперземли в основном формируются путем аккреции планетезималей во внутреннем диске, в то время как мини-нептуны развиваются за пределами линии снега, в основном путем аккреции гальки.

«Наши результаты показывают, что суперземли и мини-нептуны формируются не из непрерывного распределения твердого материала, а из колец, которые концентрируют большую часть массы в твердых телах», — сказал Изидоро, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах. «Связанные исследования в Райсе изучили аспекты этой идеи, но эта новая статья объединяет эти концепции в единую, связную картину».

Модель исследователей успешно воспроизводит ключевые особенности экзопланетных систем, включая «долину радиуса» — заметную нехватку планет размером примерно в 1,8 раза больше Земли. Вместо этого экзопланеты, как правило, группируются в две группы по размеру: примерно в 1,4 и 2,4 раза больше Земли. Их модель объясняет этот разрыв, предсказывая, что планеты размером менее 1,8 радиуса Земли в основном являются каменистыми суперземлями, тогда как более крупные — богатыми водой мини-нептунами, что близко соответствует реальным наблюдениям.

Исследование также дает представление о единообразии размеров, наблюдаемом в многопланетных системах. Многие экзопланетные системы демонстрируют модель «горох в стручке», где планеты в одной системе поразительно похожи по размеру. Модель колец естественным образом создает эту однородность, контролируя, как планеты формируются и растут в пределах своих колец.

Моделирования Шибаты и Изидоро также согласуются с наблюдаемыми распределениями планетарных орбит, подкрепляя идею о том, что планеты появляются из определенных мест, а не хаотично разбросаны по диску.

«Мы можем усовершенствовать нашу модель и использовать ее для прогнозирования типов планет, которые, как ожидается, будут находиться на эквивалентных расстояниях от Земли до Солнца — в регионах, которые в настоящее время находятся вне досягаемости наблюдений», — сказал Изидоро.

«Согласно нашим прогнозам, до 1% систем суперземель и мини-нептунов могут содержать планеты земного типа в пределах обитаемой зоны своих звезд. Хотя эта доля относительно мала, учитывая распространенность суперземель и мини-нептунов, она подразумевает частоту возникновения примерно одной планеты земного типа на 300 звезд, подобных Солнцу».

Заглядывая вперед, можно сказать, что эти результаты могут иметь огромное значение для будущих исследований экзопланет.

«Эти прогнозы будут проверены с помощью будущих телескопов, что позволит получить важные сведения о формировании планет и их обитаемости», — сказал Шибата. «Если будущие наблюдения подтвердят наши прогнозы, это может полностью изменить наше понимание того, как формируются планеты — не только в нашей галактике, но и во всей Вселенной».

Источник: Rice University