Астрономы провели самое масштабное исследование химического состава атмосфер экзопланет и очень удивились, когда получили результаты. Они заставляют пересмотреть популярные теории образования миров. Так, экспертам предстоит объяснить, почему в составе экзопланет так мало воды, особенно с учётом того факта, что количество других веществ соответствует ожиданиям.
Подробности описаны в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.
Как известно, 75% атомных ядер во Вселенной приходится на водород и 23% – на гелий. То есть на остальные встречающиеся в природе элементы (а их почти 90) остаётся всего 2%.
Такое распределение объяснить нетрудно: ведь именно ядра первых двух элементов таблицы Менделеева проще всего устроены. Ядро водорода – это просто протон (не считая его редких изотопов, у которых есть ещё нейтроны). Ядро гелия – два протона с одним или двумя нейтронами. Именно водород и гелий образовались вскоре после Большого взрыва. Количество возникших лития, бериллия и бора было ничтожно, а других элементов не было вообще. Остальные атомные ядра возникли в термоядерных реакциях в недрах звёзд или других процессах.
Третий по распространённости элемент Вселенной — это кислород, его доля составляет около 1%. За ним следует углерод: 0,5%. И это тоже легко объяснить: именно на этих элементах чаще всего заканчивается термоядерное горение в звёздных топках.
Гелий практически не вступает в химические реакции. Поэтому очевидно, что из двухэлементных соединений во Вселенной чаще всего встречается вода (H2O, водород + кислород) и метан (CH4, водород + углерод).
Учитывая такое положение дел, астрономы ожидают, что атмосферы большинства планет будут богаты водой. Это, кстати, было бы хорошей новостью и в свете поисков жизни.
Но сколько там воды на самом деле? Чтобы выяснить это, астрономы из Великобритании, Франции и США предприняли, как утверждается в пресс-релизе, самое масштабное исследование атмосфер экзопланет.
Авторы изучили газовые оболочки 19 миров. Конечно, это число невелико по сравнению с общим количеством известных планет (более 4100). Но существующие технологии позволяют исследовать атмосферу далеко не каждой экзопланеты. Необходимо уловить следы газов в спектре лучей звезды, просвечивающих атмосферу насквозь. Это тонкая работа, необычайно требовательная к качеству данных. Именно поэтому учёные использовали наблюдения на очень крупных наземных телескопах: VLT и Gran Telescopio Canarias, а также на орбитальном инфракрасном инструменте Spitzer.
Массы изученных миров варьировались от 10 земных (мининептуны) до более чем 600 земных (суперюпитеры). Температуры атмосфер составляли от 20 °С до более чем 2000 °С. При этом изучались планеты, обращающиеся вокруг звёзд разного типа.
Разумеется, изучить можно содержание только тех веществ, которые оставляют заметный след в спектре. В данном случае астрономы сосредоточились на воде, калии и натрии.
В итоге натрий был найден на шести небесных телах, и ещё на шести – калий. Вода была обнаружена на 14 из 19 исследованных экзопланет. Но вот её измеренные концентрации поставили учёных в тупик.
Популярные современные теории образования планет предполагают, что зарождающиеся миры накапливают примерно столько же кислорода, сколько и углерода. В основном это происходит на важном этапе образования планеты, когда она в большом количестве поглощает кружащие вокруг глыбы водяного и метанового льда. На всякий случай поясним, что эти законы должны действовать везде, как в Солнечной системе, так и в самых далёких уголках Галактики.
Если так, то мы можем использовать в качестве эталона миры семьи Солнца, куда более близкие и доступные для изучения, чем экзопланеты. Правда, содержание воды на планетах-гигантах нашей системы измерить трудно: они так холодны, что почти не содержат пара. Но вот концентрация углерода изучена достаточно хорошо, поскольку метан даже при довольно низких температурах всё ещё остаётся газом.
Таким образом, исследователи полагали, что кислорода (в виде воды) на экзопланетах будет никак не меньше, чем углерода на планетах Солнечной системы. Однако его оказалось значительно меньше.
Это может означать, что в разных системах миры образуются по-разному в зависимости от ещё не известных условий. Не исключено также, что и на газовых планетах Солнечной системы меньше воды, чем предполагалось. В том и другом случае модели формирования планет придётся пересматривать.
В то же время содержание калия и натрия совпало с прогнозом, так что нельзя сказать, что экзопланеты просто слишком бедны элементами тяжелее гелия.
Теперь команда рассчитывает расширить выборку планет, а также поисках в их атмосферах другие вещества.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о редких элементах в атмосфере экзопланеты и о планете с хвостом из гелия. Писали мы и о новом методе поиска атмосферы у землеподобных планет.
