Планеты-сироты: происхождение и свойства¶

Планеты-сироты — это объекты планетарной массы, которые не связаны гравитационно ни с одной звездой и свободно перемещаются в межзвёздном пространстве. Также используются термины «свободно плавающие планеты» (free-floating planets) и «межзвёздные планеты». По массе они сопоставимы с газовыми гигантами или суперземлями, однако их происхождение и эволюция отличаются от планет, обращающихся вокруг звёзд.

¶Определение и классификация

Международный астрономический союз (МАС) официально не утвердил чёткого определения для планет-сирот. На практике к ним относят объекты с массой ниже дейтериевого предела (примерно 13 масс Юпитера), которые не демонстрируют признаков ядерных реакций в недрах. Объекты тяжелее этого порога классифицируются как коричневые карлики, хотя граница между этими классами остаётся размытой.

Существует две основные гипотезы происхождения планет-сирот:

• Выброс из планетной системы — планета в результате гравитационных возмущений (тесное сближение с другой планетой, влияние пролетающей звезды) покидает родную систему.
• Формирование в одиночестве — объект образуется непосредственно в межзвёздном облаке путём гравитационного коллапса, аналогично звёздам, но без набора достаточной массы для начала термоядерных реакций.

¶Методы обнаружения

Обнаружение планет-сирот затруднено из-за их слабой светимости. Основные методы:

1. Прямое наблюдение в инфракрасном диапазоне. Молодые объекты (возрастом до 100 миллионов лет) ещё сохраняют тепло от своего формирования и излучают в инфракрасной части спектра. Их удаётся фиксировать с помощью телескопов, таких как VISTA, UKIRT и космический телескоп «Джеймс Уэбб».
2. Гравитационное микролинзирование. Когда планета-сирота проходит на фоне далёкой звезды, её гравитация искривляет свет, вызывая кратковременное усиление яркости. Этот метод позволяет обнаруживать объекты малой массы на больших расстояниях.
3. Астрометрия — измерение отклонений в движении соседних объектов под воздействием гравитации планеты-сироты.

Первое подтверждённое обнаружение свободно плавающих планет в молодом звёздном скоплении было сделано в 2000-х годах. В 2011 году группа астрономов под руководством Дэвида Беннета сообщила об открытии нескольких объектов методом микролинзирования.

¶Физические свойства

Внутреннее строение планет-сирот, сформировавшихся путём коллапса, схоже с газовыми гигантами: они состоят преимущественно из водорода и гелия, с возможным каменным ядром. Температура поверхности зависит от возраста и массы:

• молодые объекты (1–10 млн лет) могут иметь температуру 1000–2000 К и светиться в инфракрасном диапазоне;
• старые планеты остывают до температур, близких к температуре межзвёздной среды (50–100 К), и становятся практически невидимыми.

Атмосфера планет-сирот, как правило, содержит облака из силикатов и летучих соединений. Из-за отсутствия родительской звезды на их поверхности не происходит процессов, связанных со звёздным излучением, однако возможна остаточная радиоактивная теплогенерация в недрах.

¶Распространённость

По оценкам, основанным на данных микролинзирования, в Млечном Пути может существовать от нескольких десятков до сотен миллиардов планет-сирот. Некоторые исследования предполагают, что их число сопоставимо с количеством звёзд в галактике. В 2020-х годах анализ данных телескопа «Кеплер» и наземных обсерваторий позволил выявить популяцию таких объектов в области звездообразования в созвездии Ориона.

¶Спутники и системы

Планеты-сироты могут иметь собственные спутники. В 2021 году было объявлено об обнаружении кандидата в экзолуну у свободно плавающей планеты вблизи скопления Верхний Скорпион. Такие системы формируются либо при захвате спутника, либо при совместном образовании в процессе коллапса.

¶Значение для астрономии

Изучение планет-сирот позволяет:

• уточнить модели формирования планетных систем, в частности роль гравитационных взаимодействий;
• исследовать атмосферы планет без влияния родительской звезды, что упрощает спектральный анализ;
• оценить количество объектов, не связанных со звёздами, для понимания общей массы галактики.

Существует гипотеза, что планеты-сироты могут быть пригодны для жизни в подповерхностных океанах, если обладают достаточной внутренней теплогенерацией (например, за счёт радиоактивного распада или приливных сил от спутника). Однако эта идея остаётся спекулятивной.

¶Источники

• Беннет Д. и др. «Обнаружение свободно плавающих планет методом гравитационного микролинзирования», The Astrophysical Journal, 2011.
• Лю Т. и др. «Молодые свободно плавающие планеты в области звездообразования», Nature, 2013.
• Мраз Л. и др. «Кандидат в экзолуну у свободно плавающей планеты», Astronomy & Astrophysics, 2021.
• Суми Т. и др. «Оценка распространённости планет-сирот в Млечном Пути», The Astronomical Journal, 2023.