Интерьеры экзопланеты
С годами наша способность обнаруживать, подтверждать и характеризовать экзопланеты и их атмосферы улучшилась, что позволило исследователям начать ограничивать внутренний состав и структуру экзопланет. Хотя большая часть науки об экзопланетах сосредоточена на экзопланетной атмосферной среде, масса и радиус планеты могут рассказать нам о ее плотности и, следовательно, о ее внутренних процессах. Внутренние процессы планеты частично ответственны за ее атмосферу, поэтому они также являются определяющим фактором способности планеты поддерживать жизнь .
Методы
[ редактировать ]Поскольку люди не могут путешествовать на экзопланеты и проводить прямые измерения, ученым приходится использовать другие методы, чтобы ограничить их внутренний состав. Измерение массы и радиуса планеты — характеристик, которые можно наблюдать — может дать ключ к пониманию ее внутренней структуры. Мы можем вывести эти характеристики как из транзита метода , так и из метода лучевых скоростей . Когда планета проходит перед своей звездой , радиус планеты можно определить по уменьшению света от звезды. Точно так же, поскольку притяжение планеты к звезде заставляет звезду «раскачиваться», мы можем использовать полученные доплеровские сдвиги звездного света, чтобы сделать вывод о массе планеты относительно ее родительской звезды. В Солнечной системе каменистые планеты имеют мантию и кору, содержащую силикаты, оксиды и силикатные расплавы, а также богатое железом ядро . [1] Предполагается, что основные элементы, составляющие каменистые планеты, а именно магний , железо , кислород , углерод и кремний , универсальны в недрах этих типов планет. [2] Обилие этих элементов, а также процессы нагрева и охлаждения, которым они подвергаются во время формирования планеты, ответственны за окончательный состав планеты. Измерив массу и радиус экзопланет, можно рассчитать среднюю плотность планеты. Плотные планеты должны иметь более высокую долю более тяжелых элементов, таких как железо, тогда как более легкие планеты должны иметь более высокую концентрацию более легких элементов, таких как водород. [3] Однако средняя плотность не различает, как различные компоненты распределены внутри планеты; Плотный материал плотной планеты может быть упакован в небольшое ядро или распределен через мантию.
Помимо анализа соотношения массы и радиуса планет, исследователи также обращают внимание на состав родительской звезды планеты, когда выдвигают гипотезу о внутреннем составе планеты. Это связано с тем, что планеты и их родительские звезды происходят из одной системы, поэтому они имеют один и тот же материал аккреционного диска . [4] [5] Хотя планеты не будут иметь точно такой же состав, как их родительская звезда, они будут иметь схожие доли определенных элементов. Например, исследователи предполагают, что в бедных металлами областях галактики, где есть звезды с низким содержанием металлов, на планетах также меньше металлов по сравнению с системами и звездами, которые более богаты металлами. Содержание железа в системе особенно важно, поскольку оно является обычным компонентом недр планет наряду с такими элементами, как никель и металлические сплавы. [6] Железо — относительно тяжелый элемент, который, как полагают, повсеместно присутствует на каменистых планетах. Это железо может существовать в мантии в виде силикатов и оксидов, если оно окислено, но в противном случае оно образует ядро планеты земной группы в виде металла. Следовательно, наличие кислорода, а также сходство массы и радиуса с известными каменистыми планетами может помочь указать на возможность существования мантии с окисленным железом. [7]
Возможные типы интерьера
[ редактировать ]Солнечная система имеет множество планетарных интерьеров; Земля имеет внутреннее и внешнее ядро (достигающее примерно 55% радиуса Земли), мантию и кору, и обычно считается, что Венера имеет аналогичную структуру. [8] Радиус ядра Меркурия гораздо больше, чем 80% радиуса планеты. [9] а также мантия, в которой гораздо больше серы и гораздо меньше железа по сравнению с другими планетами земной группы. [10] Марс имеет относительно меньшее ядро и мантию, содержащую примерно вдвое большую массовую долю железа по сравнению с Землей. [11] Ядра внешних планет Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун изучены гораздо меньше, хотя считается, что у Юпитера и Сатурна есть ядра, содержащие железо и никель при температурах и давлениях, намного более высоких, чем те, которые наблюдаются во внутренних частях скалистых планет. . [12] Кроме того, недра внешних планет содержат гораздо больше льда и летучих веществ по сравнению с внутренними каменистыми планетами.
Поскольку планеты Солнечной системы имеют разнообразный набор интерьеров, интерьеры экзопланет, вероятно, демонстрируют такое же или даже большее разнообразие. Например, толщина планетарной коры прямо пропорциональна тому, насколько быстро остыла планета после своего образования. Быстрая скорость охлаждения ожидается для меньшей планеты, планеты с малой массой или планеты, которая находится дальше от своей звезды. Такие планеты будут иметь пропорционально более толстую кору, как это видно на Луне и Марсе. [13]
Однако есть типы планет, которых нет в Солнечной системе, например, « горячие юпитеры » низкой плотности, которые горячее и крупнее газовых гигантов Солнечной системы. [14] Наблюдатели также обнаружили множество « суперземель » или « субнептунов », то есть планет с радиусом между радиусом Земли и Нептуна. [15] радиус которого в 4 раза больше радиуса Земли. Существование типов планет, не представленных в Солнечной системе, предполагает существование планетных недр, которые также не представлены в Солнечной системе. Некоторые предлагаемые внутренние типы включают крошечные ядра, массивные мантии и поверхность океана без континентов: или массивное ядро и мантию, или, возможно, могут существовать планеты со слоем льда между мантией и поверхностью, причем обе планеты находятся над ядром.
Подтвержденных примеров предлагаемых внутренних конструкций нет. Однако существуют гипотезы о потенциальном внутреннем строении некоторых экзопланет. Одним из таких примеров является GJ 1214b , масса которого в 6,55 раз больше земной, в 2,68 раза больше радиуса Земли, но составляет лишь примерно одну треть плотности Земли. Плотность GJ 1214b 1870 кг·м. −3 слишком мал, чтобы представить состав преимущественно металлических и силикатных пород, несмотря на большой размер планеты. [16] Для этой планеты были выдвинуты гипотезы о трех различных типах внутреннего макияжа. [17] Во-первых, у планеты есть железное ядро, мантия, состоящая из силикатов, и внешний слой воды, который поддерживает толстую оболочку из водорода и гелия. Другая гипотеза сохраняет предположение о наличии железного ядра и силикатной мантии, но исключает водный внешний слой и требует более толстой водородно-гелиевой оболочки. Третья гипотеза предполагает, что планета состоит в основном из воды и имеет большую атмосферу, состоящую в основном из пара.
Как и в случае с GJ 1214b, существует множество предположений, но нет подтвержденного состава экзопланет. По мере открытия большего количества экзопланет растет и число типов планет, выходящих за рамки типов планет, не встречающихся в Солнечной системе. Некоторые экзопланеты могут напоминать Землю по радиусу, но они гораздо менее плотные или намного более плотные. Другие экзопланеты могут напоминать Землю по плотности, но иметь совсем другой размер. Таким образом, трудно классифицировать потенциальные внутренние части планет на основе их сходства с объектами Солнечной системы.
Продолжающиеся открытия экзопланет позволяют провести статистический анализ типов планет и идентифицировать отдельные планетарные популяции определенной массы и радиуса. Это позволяет расширить определение таких категорий, как «планеты земной группы» или «газовые гиганты», за пределы того, что наблюдается в Солнечной системе, на диапазон всех известных экзопланет. [13]
Обитаемость
[ редактировать ]
Актуальность циклов планетарного масштаба для обитаемости стимулирует множество исследований недр экзопланет. На Земле поверхностные и подповерхностные процессы, такие как тектоника плит , конвекция внешнего ядра, питающая геодинамо , создающее наше магнитное поле , и круговорот материала между поверхностью и недрами, способствуют формированию климата и состава атмосферы Земли и, следовательно, ее обитаемость. [18] Из-за этого понимание планетарных интерьеров становится все более популярным, поскольку также растет изучение планетарной обитаемости. Земля — единственная известная планета, на которой есть жизнь, поэтому в поисках жизни на экзопланетах многие исследователи сосредотачиваются на поиске условий ранней или современной Земли. [19] в частности наличие атмосферного кислорода. [20] Аналогично, при поиске обитаемых планет особый интерес представляют те, которые похожи на Землю (масса, радиус, внутреннее строение).
Кроме того, размер и масса планеты влияют на то, сможет ли она сохранить свою атмосферу . Менее массивные планеты имеют более слабое гравитационное притяжение и менее способны удерживать атмосферу. Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, требует атмосферы, поэтому планеты, имеющие правильный состав для достижения достаточной планетарной массы, являются ключевыми в определении обитаемости планеты. Наличие магнитного поля также способствует обитаемости планеты, и были обнаружены признаки возможного экзопланетного магнитного поля. [21] Продолжение атмосферных наблюдений в поисках магнитного поля в сочетании с расчетами внутреннего состава экзопланет может дать дальнейшее понимание внутренней структуры экзопланеты.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хау, Алекс Р.; Берроуз, Адам; Верн, Уэсли (май 2014 г.). «Отношения массы и радиуса и разложение ядра-оболочки суперземель и субнептунов» . Астрофизический журнал . 787 (2): 173. arXiv : 1402.4818 . Бибкод : 2014ApJ...787..173H . дои : 10.1088/0004-637X/787/2/173 . ISSN 0004-637X . S2CID 119112221 .
- ^ «Что делает планету пригодной для жизни? | Лаборатория Земли и планет» . epl.carnegiescience.edu . Проверено 15 февраля 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ван Холст, Тим; Ноак, Лена; Риволдини, Аттилио (01 января 2019 г.). «Интерьеры и обитаемость экзопланет» . Достижения физики: X . 4 (1): 1630316. Бибкод : 2019AdPhX...430316V . дои : 10.1080/23746149.2019.1630316 . S2CID 198417434 .
- ^ Адибекян, Вардан; Дорн, Кэролайн; Соуза, Сержио Г.; Сантос, Нуно К.; Битч, Бертрам; Израильтянин Гарик; Мордасини, Кристоф; Баррос, Сусана CC; Дельгадо Мена, Элиза; Деманжон, Оливье Д.С.; Фариа, Жоау П. (15 октября 2021 г.). «Композиционная связь между каменистыми экзопланетами и звездами-хозяевами» . Наука . 374 (6565): 330–332. arXiv : 2102.12444 . Бибкод : 2021Sci...374..330A . дои : 10.1126/science.abg8794 . ISSN 0036-8075 . PMID 34648350 . S2CID 238990985 .
- ^ Морган, Джон В.; Андерс, Эдвард (1 декабря 1980 г.). «Химический состав Земли, Венеры и Меркурия» . Труды Национальной академии наук . 77 (12): 6973–6977. Бибкод : 1980PNAS...77.6973M . дои : 10.1073/pnas.77.12.6973 . ISSN 0027-8424 . ПМК 350422 . ПМИД 16592930 .
- ^ Лоддерс, Катарина (10 июля 2003 г.). «Распространение элементов в Солнечной системе и температуры конденсации элементов» . Астрофизический журнал . 591 (2): 1220–1247. Бибкод : 2003ApJ...591.1220L . дои : 10.1086/375492 . ISSN 0004-637X . S2CID 42498829 .
- ^ Путирка, Кейт Д.; Дорн, Кэролайн; Хинкель, Натали Р.; Унтерборн, Кайман Т. (01 августа 2021 г.). «Разнообразие состава скалистых экзопланет» . Элементы . 17 (4): 235–240. arXiv : 2108.08383 . Бибкод : 2021Элеме..17..235П . дои : 10.2138/gselements.17.4.235 . ISSN 1811-5209 . S2CID 237213299 .
- ^ «В глубине | Венера» . Исследование Солнечной системы НАСА . Проверено 17 февраля 2022 г.
- ^ Ривольдини, А.; Ван Холст, Т. (1 сентября 2013 г.). «Внутренняя структура Меркурия ограничена гравитационным полем низкой степени и вращением Меркурия» . Письма о Земле и планетологии . 377–378: 62–72. Бибкод : 2013E&PSL.377...62R . дои : 10.1016/j.epsl.2013.07.021 . ISSN 0012-821X .
- ^ Ниттлер, Ларри Р.; Старр, Ричард Д.; Вейдер, Шошана З.; Маккой, Тимоти Дж.; Бойнтон, Уильям В.; Эбель, Дентон С.; Эрнст, Кэролайн М.; Эванс, Ларри Г.; Голдстен, Джон О.; Хамара, Дэвид К.; Лоуренс, Дэвид Дж. (30 сентября 2011 г.). «Основно-элементный состав поверхности Меркурия по данным рентгеновской спектрометрии MESSENGER» . Наука . 333 (6051): 1847–1850. Бибкод : 2011Sci...333.1847N . дои : 10.1126/science.1211567 . ПМИД 21960623 . S2CID 34832522 .
- ^ Ван Холст, Тим; Ноак, Лена; Риволдини, Аттилио (2019). «Интерьеры и обитаемость экзопланет» . Достижения физики: X . 4 (1). Бибкод : 2019AdPhX...430316V . дои : 10.1080/23746149.2019.1630316 . S2CID 198417434 .
- ^ Гийо, Тристан; Стивенсон, Дэвид Дж.; Хаббард, Уильям Б.; Саумон, Дидье (2004), Багеналь, Фран; Даулинг, Тимоти Э.; Маккиннон, Уильям Б. (ред.), Внутренняя часть Юпитера , Кембридж: Издательство Кембриджского университета, стр. 35–57, ISBN 978-0-521-81808-7 , получено 17 февраля 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сотин, К.; Джексон, Дж. М.; Сигер, С. (2010), Сигер, Сара; Дотсон, Рене (ред.), Terrestrial Planet Interiors , Тусон, Аризона: University of Arizona Press, стр. 375–395, ISBN 978-0-8165-2945-2 , получено 1 марта 2022 г.
- ^ Ван, Цзи; Фишер, Дебра А.; Хорч, Эллиотт П.; Хуан, Сюй (январь 2015 г.). «О частоте появления горячих юпитеров в различных звездных средах» . Астрофизический журнал . 799 (2): 229. arXiv : 1412.1731 . Бибкод : 2015ApJ...799..229W . дои : 10.1088/0004-637X/799/2/229 . ISSN 0004-637X . S2CID 119117019 .
- ^ «Супер-Земля | Типы планет» . Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы . Проверено 17 февраля 2022 г.
- ^ Шарбонно, Дэвид; Берта, Закори К.; Ирвин, Джонатан; Берк, Кристофер Дж.; Нуцман, Филип; Бучхаве, Ларс А.; Ловис, Кристоф; Бонфилс, Ксавье; Лэтэм, Дэвид В.; Удри, Стефан; Мюррей-Клей, Рут А. (декабрь 2009 г.). «СуперЗемля, проходящая транзитом через близлежащую звезду малой массы» . Природа . 462 (7275): 891–894. arXiv : 0912.3229 . Бибкод : 2009Natur.462..891C . дои : 10.1038/nature08679 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 20016595 . S2CID 4360404 .
- ^ Роджерс, Луизиана; Сигер, С. (01 июня 2010 г.). «Три возможных происхождения слоя газа на GJ 1214b» . Астрофизический журнал . 716 (2): 1208–1216. arXiv : 0912.3243 . Бибкод : 2010ApJ...716.1208R . дои : 10.1088/0004-637X/716/2/1208 . hdl : 1721.1/74039 . ISSN 0004-637X . S2CID 15288792 .
- ^ Шахар, Анат; Дрисколл, Питер; Вайнбергер, Алисия; Коди, Джордж (3 мая 2019 г.). «Что делает планету пригодной для жизни?» . Наука . 364 (6439): 434–435. Бибкод : 2019Sci...364..434S . дои : 10.1126/science.aaw4326 . ПМИД 31048476 . S2CID 143435166 .
- ^ Швитерман, Эдвард В.; Кианг, Нэнси Ю.; Паренто, Мэри Н.; Харман, Честер Э.; ДасСарма, Шиладитья; Фишер, Тереза М.; Арни, Джада Н.; Хартнетт, Хилари Э.; Рейнхард, Кристофер Т.; Олсон, Стефани Л.; Медоуз, Виктория С. (01 июня 2018 г.). «Биосигнатуры экзопланет: обзор дистанционно обнаруживаемых признаков жизни» . Астробиология . 18 (6): 663–708. arXiv : 1705.05791 . Бибкод : 2018AsBio..18..663S . дои : 10.1089/ast.2017.1729 . ISSN 1531-1074 . ПМК 6016574 . ПМИД 29727196 .
- ^ Медоуз, Виктория С.; Рейнхард, Кристофер Т.; Арни, Джада Н.; Паренто, Мэри Н.; Швитерман, Эдвард В.; Домагал-Голдман, Шон Д.; Линковски, Эндрю П.; Стапельфельдт, Карл Р.; Рауэр, Хайке; ДасСарма, Шиладитья; Хегде, Сиддхарт (июнь 2018 г.). «Биосигнатуры экзопланет: понимание кислорода как биосигнатуры в контексте окружающей среды» . Астробиология . 18 (6): 630–662. arXiv : 1705.07560 . Бибкод : 2018AsBio..18..630M . дои : 10.1089/ast.2017.1727 . ISSN 1531-1074 . ПМК 6014580 . ПМИД 29746149 .
- ^ Бен-Яффель, Лотфи; Баллестер, Гильда Э.; Муньос, Антонио Гарсия; Лавас, Панайотис; Синг, Дэвид К.; Санс-Форкада, Хорхе; Коэн, Офер; Катария, Тиффани; Генри, Грегори В.; Бучхаве, Ларс; Микал-Эванс, Томас (январь 2022 г.). «Признаки сильной намагниченности и бедной металлами атмосферы для экзопланеты размером с Нептун» . Природная астрономия . 6 (1): 141–153. arXiv : 2211.05155 . Бибкод : 2022НатАс...6..141Б . дои : 10.1038/s41550-021-01505-x . ISSN 2397-3366 . S2CID 245316715 .
