Пепел миров: как мертвые звезды помогли заглянуть в недра далеких планет

Астроном и геолог из США объединили усилия, чтобы выяснить, из чего состоят так называемые землеподобные планеты. Их вывод: с точки зрения геологии многие из этих миров не похожи на Землю — и вообще ни на что в Солнечной системе. Научная статья с результатами их исследования опубликована в журнале Nature Communications.

Сопротивление материала

Из чего же сделаны экзопланеты? К соседней звезде не отправишь космический зонд, и даже в телескоп планеты других солнц, как правило, не видны (их открывают косвенными методами). Обычно все, что нам известно о физических свойствах экзопланеты — это ее радиус и/или масса.

Конечно, это уже кое-что. Не бывает каменных планет размером с Юпитер, равно как и газовых миров размером с Землю. Лучше, когда масса и диаметр известны одновременно — это позволяет вычислить среднюю плотность планеты. Но все это не более, чем грубые прикидки химического состава.

Правда, большая часть известных экзопланет периодически проходит между своей звездой и наблюдателем (благодаря этому эффекту планеты в основном и открываются). Тогда лучи светила проникают сквозь атмосферу далекого мира, и в их спектре остаются следы ее газов. Но так можно определить состав газовой оболочки, а не поверхности. Кроме того, с ныне действующими телескопами этот способ годится лишь для больших экзопланет — гигантов или хотя бы суперземель. В то время как нас, естественно, больше всего интересуют миры размером с Землю. 

Однако то, что не удается с ныне здравствующими планетами, можно проделать с остатками миров, поглощенных звездой.

Раскаленное сердце

Как выглядит смерть не очень большой звезды (массой до десяти солнечных)? Когда светило исчерпывает запасы термоядерного топлива, оно постепенно сбрасывает внешние слои в космос. На месте былой звезды остается лишь ее раскаленное ядро — белый карлик. В нем уже не происходит никаких термоядерных реакций, и светится он по той же причине, что и раскаленная кочерга — поскольку был когда-то нагрет и еще не успел остыть. А остывают белые карлики медленно. Чтобы это «горячее сердце» перестало светиться, нужно около 10 млрд лет (при том, что текущий возраст Вселенной — менее 14 млрд лет).

Белые карлики по массе сравнимы с Солнцем, а по размеру — с Землей. У столь плотного объекта совсем иное гравитационное поле, чем у исходной звезды. По расчетам теоретиков, после превращения светила в белый карлик его планетам грозит нешуточная опасность. Они могут быть буквально разорваны на части приливными силами и поглощены остывающей звездой.

Вокруг некоторых белых карликов наблюдаются облака пыли и обломков, но это редкость. Однако следы былых планет часто можно разглядеть в атмосферах этих бывших звезд. В норме атмосфера белого карлика состоит только из водорода и гелия, так как более тяжелые вещества тонут в ней под действием могучего тяготения. Однако более чем у четверти этих небесных тел атмосферы загрязнены другими химическими элементами, вплоть до таких тяжелых, как железо. Такие белые карлики называются загрязненными (polluted). Астрономы считают, что эти загрязнения — остатки недавно поглощенных планет или астероидов, которые еще не успели уйти в глубину. 

Конечно, ни один минерал не может выжить в раскаленной до десятков тысяч градусов атмосфере белого карлика. При такой температуре вещество распадается на атомы, и все, что могут сделать астрономы — измерить относительное содержание тех или иных химических элементов. Однако и такая информация может многое сказать геологам.

Сожженные миры

Авторы отобрали 23 загрязненных белых карлика, для которых довольно точно известно содержание кальция, магния, кремния и железа. Отметим, что почти вся масса Земли приходится на минералы, содержащие хотя бы один из названных элементов. Естественно предположить, что они остались от разрушения скалистых планет, сходных с нашей по размерам и массе (землеподобных). Тем более, что такие миры образуются ближе всего к звезде и больше всего рискуют быть поглощенными, когда та превращается в белый карлик.

По соотношению химических элементов ученые попытались установить, из чего состояли погибшие планеты. И обнаружили, что им приходится выдумывать названия новых минералов и горных пород — например, кварцевые пироксениты и периклазовые дуниты.

Считается, что мантия планет земной группы (Земли, Меркурия, Венеры и Марса) сложена в основном из оливинов и ортопироксенов (это, грубо говоря, силикаты магния и железа). Однако во многих экзопланетах, похоже, место оливина занимает кварц (оксид кремния), а место ортопироксена — периклаз (оксид магния). И это только часть всего обнаруженного учеными многообразия.

Чем же вызвано такое разнообразие химического состава экзопланет? Может быть, разницей в составе протопланетных дисков, из которых они образовались? Если так, то похожие различия должны наблюдаться и в составе звезд, ведь они образуются из тех же дисков практически одновременно со своими планетами. Авторы проверили эту версию. Они не могли определить исходный химический состав белых карликов, ведь их собственные тяжелые элементы давно погрузились в недра. Однако исследователи сравнили химический состав более чем 4000 ближайших «живых» звезд. Ученые заключили, что для звезд разброс в содержании кальция, магния, кремния и железа не так велик, как для экзопланет.

Это значит, что планеты на космической кухне готовились в общем-то из одних и тех же ингредиентов, но по разным рецептам. Разнобой в химическом составе планет отражает многообразие процессов их формирования, которые все еще известны только в общих чертах.

Самый, наверное, интригующий вопрос: как экзотический состав отразится на строении планет и в конечном счете — на их пригодности для жизни? Вариантов масса. У экзопланеты может быть очень толстая кора, исключающая движение континентов. Или, наоборот, слишком тонкая, которая при малейшем возмущении прорывается гигантскими излияниями магмы. А может быть, породы коры будут впитывать воду лучше губки, и тогда мир буквально впитает собственные океаны. Заметим, что даже тела Солнечной системы, несмотря на сходный состав, очень отличаются по геологическому строению. Например, из всех планет земной группы только Земля может похвастаться действующими вулканами, дрейфом тектонических плит и сравнительно сильным магнитным полем. Что уж говорить о мирах с другим химическим составом. В этом космическом зоопарке могут встретиться неведомые зверушки на любой вкус.