К настоящему моменту вокруг звезд за пределами Солнечной системы обнаружено более 2000 планет. Наблюдения показали, что приблизительно 1% звезд соседствуют с горячим юпитером. Таким образом, несмотря на относительную многочисленность, эти необычно расположенные газовые гиганты все-таки достаточно редки. При этом, если взять обычные звезды, похожие на наше Солнце, окажется, что примерно вокруг половины из них обращаются планеты, аналогов которым в Солнечной системе просто нет.
Их назвали суперземлями. Они больше Земли, но меньше Нептуна — размер варьируется в диапазоне от 1,25 до 4 радиусов Земли. Большинство обнаруженных суперземель совершали полный оборот вокруг своей звезды менее чем за 100 дней. При этом многие из них двигались по орбитам, которые были ближе к звезде, чем даже орбиты горячих юпитеров. Чаще всего орбита горячей суперземли находилась на расстоянии 0,05 а.е., то есть составляла всего лишь 5% от расстояния между Солнцем и Землей и 13% от расстояния от Солнца до Меркурия.
Что же это за миры, которые больше нашей самой крупной твердотельной планеты и меньше наименее массивной газовой? Что именно мы открыли — мегаземли с твердой поверхностью и тонкой атмосферой или мининептуны с маленьким твердым ядром, заключенным в гигантскую газовую оболочку? Как они оказались так близко к своей звезде и почему в Солнечной системе нет планеты такого размера? Есть ли какая-нибудь связь между ответами на эти вопросы и ответом на вопрос об условиях возникновения жизни во Вселенной?
Поскольку аналоги суперземли в Солнечной системе отсутствуют, астрономам пришлось объяснять происхождение самого массового, согласно накопленных данным, класса планет, не имея возможности сравнить его с чем-то, что было им уже знакомо.
В конце 2011 г. специалисты агентства NASA определили, что, проведя 34 года в странствиях по космосу, зонд «Вояджер-1» наконец достиг границы Солнечной системы. В течение следующих нескольких лет, вызывая все большее удивление у широкой публики, агентство несколько раз объявляло о точной дате выхода зонда за пределы Солнечной системы, давая повод для громких заголовков, например таких: «Человечество выходит за пределы Солнечной системы — но это не точно» — в журнале TIME —и «“Вояджер” покинул Солнечную систему (на этот раз по-настоящему!)» — в новостях американского радио NPR. Проблема заключалась в том, что установить, где именно проходит граница Солнечной системы, практически невозможно, ведь единственным источником наших знаний в этой области являются теоретические модели.
Несмотря на эти трудности, благодаря путешествию «Вояджера-1» один факт удалось установить совершенно точно: если с момента запуска в 1977 г. зонду потребовалось столько времени, чтобы добраться до границы нашей планетной системы, вряд ли в обозримом будущем мы сможем посетить какую-либо экзопланету.
Ближайшая к нам звезда (помимо Солнца) — Проксима в созвездии Центавр. Это тусклая звезда, которая находится на расстоянии 4,24 светового года от Земли. Полагают, что рядом с ней есть планета с массой, как минимум на 30% превышающей массу Земли. Таким образом, эта планета является ближайшим к нам кандидатом в экзопланеты. Но в любом случае расстояние до Проксимы Центавра почти в 2000 больше того, которое «Вояджер-1» уже преодолел к настоящему времени. При текущей скорости космического зонда, составляющей 60 000 км/ч, ему понадобится более 75 000 лет, чтобы достичь ближайшей к нам возможной планетной системы. С учетом огромных расстояний отправка зонда для изучения загадочных свойств суперземель — предприятие, заранее обреченное на провал. Будь у нас возможность измерить хотя бы плотность планеты, это уже позволило бы нам сказать, является ли она твердотельным миром земного типа или газовым нептуном.
Внутренние планеты вроде Земли состоят преимущественно из силикатов и железа: они рождаются слишком близко к звезде, чтобы на них мог образоваться лед. Из-за тяжелых материалов эти миры характеризуются высокой плотностью: плотность Меркурия, Венеры, Земли и Марса составляет 3,9–5,5 г/см3. При аналогичном составе планета с большей массой должна обладать более высокой плотностью, так как под действием гравитации твердые породы сожмутся еще больше. Моделирование внутреннего строения планет показывает, что каменистая суперземля с массой в 5 раз больше массы нашей планеты должна иметь плотность около 7,8 г/см3.
С другой стороны, большая часть объема Нептуна приходится на его громадную атмосферу. В ее составе преобладают водород и гелий — два самых легких элемента во Вселенной. Из-за этого плотность Нептуна не превышает 1,6 г/см3. Газовый вариант суперземли — это мининептун с толстой атмосферой, окружающей ядро из твердых пород или льда. Плотность газовой планеты массой в 5 масс Земли может быть равна примерно 3–4 г/см3, то есть намного меньше, чем у каменистой суперземли, но выше, чем у Нептуна, так как в силу меньшей массы такая планета накапливает меньше легкого газа.
Чтобы вычислить среднюю плотность планет, ее массу делят на объем заполняемого ею пространства. Поскольку по форме планеты близки к сфере, все сводится к двум значениям — массе планеты и ее радиусу. К сожалению, проблема состоит не только в том, что оба эти значения очень непросто получить, но и в том, что зафиксированные значения будут иметь большую погрешность. При определении типа планеты, балансирующей на грани между массивным миром земного типа и маленьким газовым гигантом, из-за этой погрешности мы будет так же бессильны, как и врач при определении пола плода, который лежит в утробе, скрестив ножки.
В качестве примера такой планеты можно привести суперземлю, обращающуюся вокруг звезды Кеплер-93. Как следует из названия звезды, наблюдение за ней велось с помощью космического телескопа «Кеплер». Цель наблюдения — поиск планет, проходящих по диску звезды. Кеплер-93 была самой яркой звездой из наблюдавшихся в телескоп, и уже очень скоро — в 2011 г. — было объявлено об обнаружении планеты, обращающейся вокруг нее по близкой орбите. При этом размер планеты был оценен удивительно точно. Период обращения планеты Кеплер-93 b составлял 4,7 дней, радиус — 1,478 радиуса Земли с погрешностью всего лишь 0,019 радиуса Земли, то есть 119 км. Таким образом, точное значение радиуса планеты Кеплер-93 b укладывалось в узкий диапазон от 1,459 до 1,497 радиуса Земли, и по этому показателю она однозначно могла быть отнесена к суперземлям.
После проведения точных измерений радиуса была предпринята попытка определить массу планеты. На звезду Кеплер-93 были направлены телескопы «Кек» на вершине спящего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях, которые должны были зафиксировать колебания лучевой скорости. Исследователям удалось наблюдать покачивания звезды, но ее движение трудно поддавалось точному измерению. Согласно первоначальной оценке, Кеплер-93 b была в 2,6 раза тяжелее Земли. Но из-за огромной погрешности ее масса вполне могла быть равна и 4,6 массы Земли. Дальнейшие измерения
