Есть такое твёрдое правило. Встал поутру, умылся, привёл себя в порядок - и сразу же приведи в порядок свою планету!
љ Антуан де Сент-Экзюпери, "Маленький принц"
В предыдущей статье мы познакомились с группой детского сада из планет, ее внутренними правилами и необходимыми для прохождения приемной комиссии навыками, которыми должен обладать соискатель места в планетарной системе. Но дети похожи только в одном: они все меньше взрослых, т.е. звезд. Но каждый из ребятишек по-своему уникален. На основе общих интересов, черт характера и навыков детвору планет можно разделять на разные группы, на чем строится классификационные системы для этих астрономических тел.
Планетарную группу детсадовцев можно разделить на две основные подгруппы: рыхлые здоровяки с невысокой плотностью - планеты-гиганты, и ребята поменьше, но зато имеющие твердую поверхность характера - землеподобные планеты. Несмотря на вхождение в состав одной и той же группы космических тел - планет - эти два подвида сильно отличаются друг от друга. Знакомиться с этими бандами малолетних разбойников мы будем по отдельности. И начнем с планет-гигантов.
Планеты-гиганты также называются газовыми гигантами. Хотя первое название - более общее и характеризует всю подгруппу крупных планет, в то время как определение "газовый гигант" затрагивает только планеты, процент содержания водорода и гелия в которых составляет 90%. Однако к планетам-гигантам относятся также водные и ледяные гиганты, состоящие из указанных выше элементов лишь на 15-20%. Этот частный случай показывает, что планеты-гиганты тоже делятся на различные виды в зависимости от своего химического состава или положения относительно родительской звезды. Химический состав, в свою очередь, зависит от температуры небесного тела. Но история формирования планет-гигантов такая же, как и у любых других: путем аккреции, т.е. путем приращения своей массы гравитационным притяжением материи из планетарного диска (см. предыдущую статью). Или, другими словами, путем поедания гороховой каши на обеде, которая раздувает их до громадных размеров во время тихого часа.
Гиганты состоят в основном из водорода и гелия, имеют небольшую плотность и короткий период суточного вращения, который обуславливает сильное сжатие у полюсов. Их структура включает в себя несколько слоев и атмосферу, давление которой в определенный момент возрастает достаточно, чтобы водород принял жидкую форму. Ниже располагается слой т.н. металлического водорода (совокупность фазовых состояний водорода при высоком давлении), электрические токи которого порождают мощное магнитное поле. По недоказанной в настоящее время теории еще ниже расположено относительно небольшое каменное или металлическое ядро. В атмосферах же бушуют сильные ветра со скоростями до нескольких тысяч км/ч и образуются атмосферные постоянные в виде гигантских вихрей (например, Большое Красное Пятно на Юпитере).
Классификация планет-гигантов по удаленности от звезды-воспитательницы делит их на "холодные юпитеры" и "горячие юпитеры". Кроме того, существует вторая система классификации планет-гигантов, основывающаяся на их внешнем виде.
"Холодные юпитеры" с "горячими юпитерами" объединяет одинаковая масса (около массы Юпитера (1,9⋅1027 кг)). На этом их сходства заканчиваются.
"Холодные юпитеры" - ребята самодостаточные и независимые от подачек воспитательниц-звезд в виде тепла и способные получить это тепло в результате своих внутренних процессов. Орбиты таких планет расположены на большом расстоянии от звезды (в случае самого Юпитера оно составляет 5 атмосферных единиц (а.е. - единица измерений расстояний в астрономии, примерно равная среднему расстоянию от Земли до Солнца)).
"Горячие юпитеры", наоборот, те еще прилипалы и тянут из воспитательницы-звезды огромное количество тепла. Ведь их орбиты расположены гораздо ближе к звезде, чем орбиты "холодных юпитеров". Среднее расстояние до их орбит - 0,05 а.е., что на один порядок ближе, чем Меркурий расположен к Солнцу и на два порядка - чем Юпитер к нему же. Горячие юпитеры гораздо проще обнаружить, т.к. они вносят заметные короткопериодические возмущения в движение звезды, которые могут быть обнаружены по смещению линий ее спектра. Кроме того, велика вероятность прохождения такой планеты перед диском звезды, что уменьшает ее светимость. Близкое расположение к родительской звезде и, следовательно, дополнительное нагревание вызывает и дополнительное термическое расширение планеты, поэтому горячие юпитеры имеют большие размеры, чем аналогичные по массе, но расположенные дальше, планеты. Считается, что такие планеты образуются во внешней части планетарной системы, т.к. возле звезды материала недостаточно, и потом мигрируют к центру системы из-за торможения в газопылевом диске. Некоторые приближаются к воспитательнице-звезде настолько близко, что период их вращения вокруг нее составляет всего 1-2 дня. Это самые горячие из известных планет. Называются они короткопериодическими горячими юпитерами. Если такая планета имеет маленькую массу (менее 2 масс Юпитера), то она не способна удержаться от разогрева собственной гравитацией, что приводит к еще большему термическому расширению и экстремальному падению плотности. Такие планеты называются "рыхлыми" и представляют собой скорее газовое облако, чем планету.
Вторая система классификации планет-гигантов - это классификация по Сударскому. Она основывается на внешнем виде планет, который, в свою очередь, зависит от их химического состава. А он определяется температурой. Также в этой системе учитывается альбедо планеты (диффузная, т.е. рассеянная, отражательная способность поверхности). Свойства планет вне Солнечной системы, которые называются экзопланетами, изучены слабо, в т.ч. химический состав их атмосфер. Это объясняется сложностью их наблюдения из-за слабой светимости, которую поглощает светимость их звезды-воспитательницы. Изучать их можно лишь по косвенным признакам. Либо по внешнему виду, который обусловлен химическим составом и температурой и данные о котором могут быть получены путем изучения спектра (спектрального анализа) в момент транзита (прохождения перед диском звезды) перед этой звездой. Но аналогии с планетами-гигантами Солнечной системы подходят далеко не всем экзопланетам, т.к. большинство из них не похожи на Юпитер и Сатурн. Классификация экзопланет по Сударскому делит экзопланеты на 5 классов.
К классу I принадлежат планеты, в атмосфере которых доминируют аммиачные облака (как наши Сатурн и Юпитер) и находящиеся на внешних слоях своих планетарных систем. Их температура ниже -120 ̊, а расчётное альбедо составляет 0,57. Это значительно выше альбедо Юпитера или Сатурна. Разница возникает из-за наличия определенных веществ в атмосфере таких планет. Их температура объясняется либо расстоянием до звезды, либо классом этой звезды (это должен быть красный карлик). Цвет этих планет похож на цвет слабой звезды - красновато-охристый (как Юпитер).
К классу II относятся планеты с более высокой температурой (до -20 ̊), которая превышает необходимые условия для формирования аммиачных облаков, но идеальна для формирования водных. Такие облака хорошо отражают свет, поэтому их альбедо может превышать 0,81, а цвет из-за сильной отражательной способности - бело-голубой. Также в атмосфере этих планет содержится много метана, что отличает их от Земли. Расстояние до орбит этих планет сопоставимо с расстоянием до земной орбиты или чуть больше.
К классу III относятся безоблачные планеты, поскольку они слишком горячи для формирования водных облаков (80-530 ̊). Планеты этого класса обладают низким альбедо - 0,12 - и имеют голубо-синий цвет, обусловленный количеством метана. В Солнечной системе такие планеты занимали бы место Меркурия.
Планеты с сильными линиями спектра щелочных металлов (элементы 1 группы периодической таблицы химических элементов Менделеева) относятся к классу IV. Их температура составляет 630-1000 ̊, поэтому доминирующим элементом в атмосфере становится диоксид углерода. Метан также присутствует. Альбедо этих планет очень низкое - 0,03, а цвет - серый с небольшим оттенком розового, т.к. температура уже достаточно высока для излучения света. Эти планеты очень близки к своим светилам и, как правило, относятся к горячим юпитерам.
Очень горячие газовые планеты, чья температура превышает 1100 ̊, относятся к классу V. Их атмосфера сплошная и состоит из паров железа и силикатов, благодаря чему их альбедо составляет 0,55. Короткопериодические горячие юпитеры также относятся к этому классу. Цвет планет этого класса - зеленовато-серый. В Солнечной системе они бы располагались на расстоянии 0,04 а.е. от Солнца.
Еще два вида планет, относящихся к гигантам - это водные или прохладные гиганты (или гигант с облаками из водяного пара) и ледяные гиганты.
Водяные гиганты вращаются на расстоянии в 1-2 а.е от звезды и соответствуют II классу по Сударскому. Их атмосферы состоят в основном из водорода, а в случае нахождения планет в обитаемой зоне (условная зона в космосе, условия поверхности находящихся в ней планет близки к земным) - из кристаллов водяного льда. В любом случае, обилие воды в составе атмосфер водяных гигантов делает ее облачность сплошной, поэтому такие планеты окрашены в ярко-белый цвет. При дефиците воды планета будет одета в бело-голубую полосатую тельняшку.
Ледяные гиганты или холодные нептуны состоят из элементов тяжелее водорода и гелия. В Солнечной системе этот подкласс гигантов представлен Ураном и Нептуном. Единой теории о формировании этих ледяных отщепенцев не существует. Согласно одной из них, такие планеты формируются там же, где и горячие юпитеры, но, обладая меньшими размерами, вытесняются гравитацией больших хулиганов на периферию. Там их поверхность сильно остывает, но внутри продолжает биться горящее обидой ядро с температурой в несколько тысяч К. Согласно другой, они образуются не путем аккреции, а из-за коллапса (быстрого сжатия) вещества на окраинах планетарной системы. Температура ледяных гигантов не превышает -200 ̊, а массовая доля водорода и гелия составляет лишь 15-20%. Строение же магнитных полей и атмосферы схоже с газовыми гигантами.
Вот такие хулиганы-толстяки есть в любой детсадовской планетарной группе: независимые авторитеты и назойливые прилипалы, ледяные аутсайдеты и готовые испариться потоками собственной экстравертности легкие заводилы. Хоть все они и очень разные, но объединяют их две черты: внушающие уважение размеры и любовь к гороховой каше (и обилие газов из-за этого). Но они - не единственные члены группы детсада. Еще там учатся планеты земного типа, но о них мы поговорим в следующей статье.