ГИГАНТСКОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ МОЖЕТ СПАСТИ АТМОСФЕРУ ПЛАНЕТЫ

Если измерить размеры малых экзопланет, они распадутся на две группы: один пик примерно на 1,3 радиуса Земли, другой — примерно на 2,4, с провалом на 1,75. Считается, что мелкие — это голые каменистые планеты, суперземли. Крупные, субнептуны, по-видимому, представляют собой каменистые планеты, всё ещё окутанные первичной атмосферой, богатой водородом. Значит, некоторые планеты должны были потерять много водорода. Но какие и как?

Обычный подозреваемый

Каменистые планеты размером с Землю или больше, как ожидается, переживают одно или несколько гигантских столкновений в конце своего формирования, некоторые — уже после того, как газовый диск вокруг молодой звезды рассеялся. Популярное объяснение двух групп винит эти поздние удары: ударная волна нагревает мантию планеты, раскалённая поверхность заставляет газ улетучиваться, и планета с атмосферой превращается в суперземлю.

Дариус Модирруста-Галиан (Darius Modirrousta-Galian) из Шанхайского университета Цзяотун и Дзюн Коренага (Jun Korenaga) из Йельского университета утверждают, что эта картина упускает половину баланса. Их исследование принято к публикации в журнале Nature Astronomy.

Другая сторона баланса

Столкновение не только нагревает планету. Оно ещё и добавляет массу, и вся эта масса углубляет гравитационную яму, которая удерживает атмосферу. Между тем лишь часть энергии удара действительно нагревает мантию:

• металлическое ядро ударника проваливается сквозь мантию, отдавая по пути мало энергии, и оказывается глубоко внутри, всё ещё перегретым;
• плавящаяся порода поглощает энергию в виде скрытой теплоты, не повышая температуру;
• то тепло, что всё же достигает поверхности, гасится высоко в атмосфере. Температуру в слоях, которые управляют утечкой газа, задаёт свет звезды, а не горячая поверхность внизу.

Для планеты, у которой металлическое ядро составляет 30% массы, около 84% энергии удара уходит в мантию, что согласуется с подробными моделями столкновений. Газа, напрямую сорванного ударником, немного; ударная волна обычно уносит около 10–20% атмосферы. В целом, как выяснили авторы, гравитационная хватка планеты растёт сильнее, чем нагревается её мантия: после удара атмосфера удерживается крепче, чем прежде.

Сто миллионов планет

Чтобы проверить это на целой популяции, команда смоделировала 100 миллионов планет с реалистичным разбросом масс, температур, металлических ядер и атмосфер. В каждом прогоне у каждой планеты есть шанс 52, 63 или 74% (в зависимости от прогона) испытать гигантское столкновение после исчезновения газового диска — эти значения взяты из моделирования формирования планет, — с ударником массой до половины итоговой массы. Затем модель прослеживает, как остывает расплавленная мантия и как утекает атмосфера, на протяжении 5 миллиардов лет.

Результат воспроизводит два наблюдаемых пика — примерно на 1,3 и 2,4 радиуса Земли с провалом на 1,75 — для каждого испытанного сценария столкновений. Два контрольных расчёта показывают почему. Без поздних столкновений слишком много планет остаются голыми. Если столкновение достаётся каждой планете, слишком многие сохраняют водород. Столкновения задают равновесие, переводя планеты через порог массы, выше которого водород остаётся на месте.

Чем сильнее удар, тем надёжнее атмосфера

Вероятность потерять всю атмосферу падает по мере роста начальной массы планеты и доли ударника. Авторы подобрали простую кривую для доли ударника, при которой всё теряет лишь 1% планет: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, где χ — масса ударника, делённая на итоговую массу, а M — начальная масса в массах Земли. Для планеты с начальной массой 5 масс Земли это ударник примерно в четверть итоговой массы; выше кривой планеты почти всегда сохраняют первичную атмосферу.

Более тяжёлые сердца субнептунов

Если столкновения помогают планетам сохранить водород, то субнептуны, вероятно, росли через большее число столкновений и обладают более массивными каменными недрами, чем суперземли. Измеренные планеты уже указывают в эту сторону: субнептуны тяжелее примерно 4–5 масс Земли, суперземли — легче. Авторы перечисляют инструменты, способные проверить идею: JWST, Ariel и Twinkle будут искать водород в атмосферах более крупных планет, PLATO и JUST — взвешивать их, а космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман — добираться до меньших и более далёких миров.