Астрофизики связали химический состав солнцеподобных звезд и землеподобных экзопланет

Астрофизики обнаружили корреляцию между химическим составом скалистых экзопланет и звезд, вокруг которых они вращаются. По оценкам на основе плотности планет, для суперземель стехиометрическое соотношение железа и силикатов в составе планет оказалось связано с составом протопланетного диска — как для Венеры, Земли и Марса, но не 1:1. В планетах, похожих на Меркурий, железа оказалось намного больше, пишут ученые в Science. Авторы работы объясняют это несоответствие другим механизмом формирования.

В процессе развития звездных систем и сама центральная звезда, и планеты вокруг нее образуются из одного и того же материала. Поэтому ученые считают, что химические составы звезды и планет около нее должны зависеть от состава протопланетного диска и, соответственно, коррелировать друг с другом. Например, в протосолнечном диске стехиометрическое соотношение железа и силикатов, по теоретической модели, — примерно 1:2. Практически такое же соотношение характерно для Венеры, Земли и Марса. Правда Меркурий в эту модель не вписывается — для него это соотношение практически противоположное.

Чтобы проверить, как элементный состав звезды соотносится с элементным составом планет около нее, астрофизики под руководством Вардана Адибекяна (Vardan Adibekyan) из Университета Порту изучили похожие на Солнце звезды из спектральных классов F, G и K и экзопланеты вблизи них. Температура этих звезд — от 3800 до 7400 кельвинов, а в их спектрах много линий металлов: в частности железа, кальция, титана и хрома. (Для тяжелых элементов в звездах главной последовательности состав атмосферы, который можно определить по спектру, примерно соответствует составу всей звезды.)

Всего ученые проанализировали спектры 21 звезды и плотности 32 небольших экзопланет около них, не превосходящих по массе десяти масс Земли. По этим данным астрофизики определили соотношение магния, кремния и железа в их составе. После чего построили зависимость плотности и состава планет от состава центральной звезды.

Статистический анализ показал, что для землеподобных скалистых экзопланет действительно есть корреляция между составом звезды и плотностью планет (p≈7×10⁻⁶), а также — между составом звезды и составом планет (p≈5×10⁻⁵), в двух предположениях: что железо есть только в ядре планеты и что железо есть и в ядре планеты, и в ее мантии. Правда, в планетах железа оказалось больше, чем в звездах. Авторы работы считают, что это расхождение — следствие процесса формирования планет, и связано оно с тем, что ближе к звезде доля железа во время конденсации вещества должна быть выше.

Кроме того ученые обнаружили, что для пяти планет из всего набора их модель не работает. Это Меркурий и его более тяжелые аналоги — ученые назвали эти планеты супермеркуриями. Астрофизики предполагают, что механизм образования этих планет отличался от механизма формирования землеподобных экзопланет и включал множественные столкновения и лишение планет мантии.

Ученые до сих пор не до конца понимают, как формируются планеты разного типа. Например, в 2018 году астрономы предположили, что крупные зародыши планет могут формироваться почти сразу после появления протопланетного диска.

Александр Дубов