Одним из самых распространённых типов планет в Млечном Пути считаются субнептуны — объекты больше Земли, но меньше Нептуна. Новое исследование, опубликованное на arXiv и в The Astrophysical Journal, показало, что у таких планет может отсутствовать привычное ядро. При накоплении значительного количества водорода их внутреннее строение превращается в единую раскалённую смесь железа, породы и газа без чёткой слоистой структуры. Модель также помогает объяснить наблюдаемые свойства экзопланет, которые ранее оставались непонятными.
Для сравнения используется структура Земли, где выделяются металлическое ядро, мантия из горячих пород, кора и атмосфера. Долгое время предполагалось, что каменистые экзопланеты устроены аналогично и отличаются лишь толщиной газовой оболочки. Однако расчёты поведения водорода, минералов и железа при экстремальных давлениях и температурах показали иной сценарий. При температуре выше 3700 °C водород и расплавленные породы перестают разделяться и образуют однородную массу.
Если содержание водорода в планете не превышает одного процента массы, формируется отдельное металлическое ядро, как у Земли. При большем количестве газа внутренние слои перемешиваются, и планета лишается чётко выраженного ядра и мантии, превращаясь в однородную структуру, простирающуюся почти до центра.
Внутреннее устройство напрямую влияет на охлаждение планеты, удержание атмосферы и изменение её размеров. Предложенная модель объясняет ряд закономерностей, которые не удавалось описать ранее. Среди них — «зазор радиусов»: наблюдаемое распределение экзопланет, где много суперземель и субнептунов, но почти отсутствуют объекты промежуточного размера. Эта картина подтверждается данными телескопов NASA Kepler и James Webb. Ещё одна закономерность связана с зависимостью между размером планеты и периодом её обращения вокруг звезды.
Обе особенности естественно объясняются, если предположить, что молодые субнептуны удерживают значительную часть водорода в глубине и постепенно выделяют его в атмосферу по мере охлаждения. Газ при этом медленно поднимается из внутренних слоёв в течение сотен миллионов лет.
Из гипотезы следует проверяемый эффект: молодые субнептуны должны сжиматься медленнее, чем предполагают стандартные модели, и выглядеть крупнее для своего возраста. Наблюдения действительно фиксируют такие объекты у звёзд возрастом в десятки миллионов лет. Проверку этой идеи могут провести телескоп James Webb и новые программы поиска экзопланет, анализируя транзиты — моменты прохождения планеты перед звездой и падения её яркости.
При этом модель имеет ограничения. Она основана на расчётах экстремальных давлений и температур, которые пока невозможно полностью воспроизвести в лабораториях. Часть выводов остаётся теоретической. Также остаётся неопределённым количество тепла, сохраняемого недрами планет, что может существенно влиять на результаты. Кроме того, работа опирается на статистику уже обнаруженных экзопланет и объясняет общие закономерности, но не описывает точную структуру отдельных объектов.
Несмотря на это, вывод исследования меняет представления о строении планет. Значительная часть миров в галактике может иметь внутреннюю структуру, отличную от земной. Привычная модель «ядро — мантия — атмосфера» для субнептунов может оказаться неприменимой. В случае подтверждения гипотезы Земля перестанет рассматриваться как универсальный пример строения планет и станет лишь одним из возможных вариантов.
