Анализ экзопланет в обитаемой зоне

дипломная работа

1.3 Распределение по массам планет

"Рабочее" определение планеты было предложено рабочей группой IAU (The International Astronomical Union - Международный Астрономический Союз), основываясь на пределе массы в 13 масс Юпитера, достаточном для воспламенения дейтерия. Говоря своими словами, планета - это объект с массой, меньшей 13 масс Юпитера. Объект с большей массой считается коричневым карликом или звездой.

По массе все планеты делятся на 3 типа: гиганты (такие, как Юпитер и Сатурн), нептуны (такие, как Уран и Нептун) и планеты земного типа, или земли (такие, как Земля и Венера). Граница между гигантами и нептунами проходит по линии появления в недрах планет металлического водорода (около 60 масс Земли или 0.19 масс Юпитера). Граница между нептунами и землями довольно условно равняется 7 массам Земли. Потому, что Уран с его 14 массами Земли - еще явный нептун, а Земля - уже явно планета земного типа. Возможно, в интервале 3-10 масс Земли существуют планеты, чьи свойства резко отличаются как от свойств нептунов, так и от свойств планет земного типа. Но пока что они реально не открыты.

Между планетами-гигантами, с одной стороны, и нептунами, с другой, существует много важных отличий помимо массы. Так, например, химический состав планет-гигантов близок к звездному химическому составу, то есть они состоят преимущественно из водорода и гелия с небольшой (несколько процентов) примесью тяжелых элементов. Нептуны же состоят в основном изо льдов (водяного льда, метана, аммиака и сероводорода) с заметной примесью скальных пород (силикатов и алюмосиликатов). Количество водорода и гелия в их составе не превышает 15-20%. Наконец, планеты земного типа лишены не только водорода и гелия, но в значительной степени и льдов. Состоят в основном из силикатов с примесью железа.

Просуммируем свойства планет в зависимости от их массы.

1) Планеты-гиганты.

Масса в интервале от 0.19 до 13 масс Юпитера. Отличаются почти звездным химическим составом, то есть состоят в основном из водорода и гелия. Быстро вращаются. Из-за колоссального давления в недрах планеты водород становится вырожденным. Радиус планет, начиная от 0.3 масс Юпитера и до границы коричневых карликов (которая составляет 13 масс Юпитера), близок к радиусу Юпитера, или примерно в 10-11 раз превышает радиус Земли. Исключением являются так называемые "горячие юпитеры" - планеты-гиганты, расположенные близко к своей звезде и имеющие эффективную температуру выше 1000К. Вследствие сильного нагрева светом близкой родительской звезды, их атмосфера расширяется, увеличивая видимый радиус планеты до 1-1.4 радиуса Юпитера. Средняя плотность гигантов меняется от 0.28 г/см3 до 12 г/ см3. Вторая космическая скорость этих планет выше 37 км/сек. Обычно она составляет от 45 до 70 км/сек. Скорее всего, все планеты-гиганты имеют сильное магнитное поле, усиливающееся с ростом массы планеты. В Солнечной системе планеты-гиганты - это Юпитер и Сатурн.

2) Нептуны.

Масса в интервале от 7 до 60 масс Земли (0.022 - 0.19 масс Юпитера). Состоят большей частью изо льдов (водяного, аммиачного, метанового, сероводородного) и скальных пород, которые составляют примерно четверть от полной массы планеты. Доля водорода и гелия в составе планеты не превышает 15-20%. Давление в недрах меньше, нежели у планет-гигантов. Водород не переходит в вырожденное состояние. Радиус близок к 4 радиусам Земли. Средняя плотность составляет 1.3-2.2 г/см3, вторая космическая скорость в среднем 24 км/сек. Магнитное поле сильно отличается от дипольного (например, планета может иметь два северных и два южных полюса). В Солнечной системе нептуны - Уран и Нептун.

3) Планеты земного типа.

Масса до 7 масс Земли. Состоят в основном из силикатов (скальная компонента) и железа. Средняя плотность 3.5-6 г/см3. Радиус меньше 2 радиусов Земли. В Солнечной системе планеты земного типа - Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Конечно, границы между типами не резкие. Возможны всякие промежуточные случаи. К примеру, планета с массой 5 масс Земли, которая сформировалась за снеговой линией и потом мигрировавшая внутрь системы, будет иметь химический состав, среднюю плотность и внешний вид нептуна. А планета с массой 7 масс Земли, образовавшаяся во внутренней части богатого пылью газопылевого диска, может состоять из железа и силикатов и быть гигантской планетой земного типа.

Уже после обнаружения нескольких внесолнечных планет стало ясно, что эти объекты нельзя рассматривать как маломассивный хвост распределения звездных компаньонов в двойных звездных системах (с низкой величиной msini из-за малого наклонения i оси вращения системы к лучу зрения). Явный бимодальный вид распределения масс вторых компонент у звезд солнечного типа считался самым очевидным доказательством различия механизмов формирования звездных пар и планетных систем. Интервал между двумя популяциями ("пустыня коричневых карликов"), соответствующий массам между 20 и 60 масс Юпитера, практически пуст. По крайней мере, для планет с орбитальными периодами короче 10 лет. Однако в этой области нелегко разделить маломассивные коричневые карлики от массивных газовых планет только по измеряемой величине msini, без дополнительной информации о формировании и эволюции этих систем. На рисунке 1.3 представлено распределение спутников звёзд солнечного типа по минимальной массе. Хорошо виден глубокий минимум в области масс, соответствующей коричневым карликам (от 0,01 до 0,1 масс Солнца).

Рисунок 1.3 - Распределение по минимальной массе (величине msini) спутников звезд солнечного типа.

Заштрихованными прямоугольниками отмечены планеты, обнаруженные с помощью спектрометра HARPS.

Маломассивная часть этого распределения плохо изучена из-за наблюдательной неполноты. Самые маломассивные планеты труднее всего обнаружить потому, что вызываемые ими лучевые скорости звезд малы. Весьма вероятно, что есть значительная популяция планет с массами меньше массы Сатурна. Это наблюдение подтверждается аккреционными моделями формирования планет. В частности, ожидается большое количество "твердых" планет.

Делись добром ;)