Тема экзопланет занимает особое место в моём блоге на Хабре, но основательного обобщающего текста по ним я пока так и не написал — слишком велико их разнообразие и много интересных деталей хочется подчеркнуть. Зато такой базовый текст «Экзопланеты. Изучение других миров» появился 5 мая 2025 года на Хабре под авторством уважаемой Анны Колосовой @Hanamime в корпоративном блоге Сбера. Этот текст отлично иллюстрирован, подробен и позволяет мне сразу перейти к главному тезису моей сегодняшней статьи: несмотря на многократно проверенный принцип Коперника, наша Солнечная система всё-таки кажется удручающе необычной. Дело в том, что в других звёздных системах при явном обилии горячих юпитеров почти не попадаются аналоги нашего Юпитера, то есть, крупные холодные газовые гиганты, значительно отдалённые от светила. Под катом обсудим эту странную диспропорцию.
Некоторые конфигурации планетных систем
К началу XXI века считалось, что устройство многопланетных звёздных систем в принципе уже установлено (вспомните классическую космофантастику, начиная с Лема и Кларка). Протопланетный диск формируется из остатков пыли и газа, которые не вошли в состав звезды. На определённом расстоянии от светила тепло звезды ослабевает настолько, что формируется снеговая линия, либо, если система компактная — две снеговые линии: водяная и углекислотная. Ближе к звезде располагаются скалистые планеты, а за снеговой линией — газовые гиганты, более похожие по составу на звезду, то есть, состоящие из водорода и гелия, которые из-за высокого давления и низкой температуры могут пребывать в жидком и даже твёрдом (металлическом) агрегатном состоянии. Планеты формируются из завихрений в протопланетном диске, превращающихся в сгустки и обрастающие планетезималями, причём, планетезималь может быть сравнима по размеру с новорождённой планетой и расколоть её. Именно с таким событием, чуть не погубившим Землю, связывают образование Луны — это история о столкновении Земли и Тейи. Подробно разбирал эту историю на Хабре уважаемый @tarlakovsky в статье «Луна почти такая же старая, как и Земля», а о геологических находках, подтверждающих существование осколков Тейи в земной литосфере, писал уважаемый @SLY_G Газовые гиганты конкурируют друг с другом за планетезимали, растаскивая их на свои свиты спутников, а где-то на задворках покоится насквозь промёрзший Плутон.
Оказалось, что всё совсем не так стройно и предсказуемо. Проанализировав данные о составе планетных систем, собранные орбитальным телескопом Kepler, астрофизики Янн Алиберт из Бернского университета и Локеш Мишра, ранее работавший там же, опубликовали в 2023 году статью, в которой систематизировали данные об известных конфигурациях орбит и размерах планет. Оказалось, что упорядоченные системы вроде Солнечной встречаются реже всего.
По-видимому, устойчивость планетной системы и в особенности устойчивость орбит малых скалистых планет в зоне обитаемости непосредственно зависит от расположения и количества газовых гигантов в этой системе. Вероятно, поэтому в большинстве систем со скалистыми системами (землями, суперземлями) газовых гигантов нет — как известно на классическом примере системы TRAPPIST-1 в созвездии Водолея, разобранной в статье «Нет места лучше дома» от уважаемого @ArtemisFox. На вышеприведённой иллюстрации эта система относится к первому типу. С другой стороны, наши представления о распределении экзопланет по классам постоянно меняются по мере улучшения разрешающей способности телескопов. Рассмотрим ещё несколько диаграмм.
Такое распределение экзопланет по радиусу самой планеты, орбитальному периоду и температуре давал «Kepler» по состоянию на 2015 год. Здесь мы наблюдаем, что горячих юпитеров значительно больше, чем похожих на наш, холодный Юпитер, орбитальный период которого составляет 4333 суток (почти 12 лет). Такая картина может объясняться сдвигом выборки, так как при поиске экзопланет методом транзита по диску звезды или при помощи доплеровской спектроскопии чаще всего обнаруживались крупные тела, расположенные поблизости от родительского светила. Однако сами планетные системы у звёзд-карликов, похожих на Солнце, серьёзно отличаются по составу от нашей. В них преобладают земли и суперземли, а юпитеры — редки.
Аналогами Юпитера или «холодными юпитерами» называются газовые гиганты, состоящие преимущественно из водорода (насколько мы можем предположить, они не имеют скальной сердцевины, в отличие от нептуноподобных планет), обращающиеся вокруг родительской звезды на расстоянии от 3 до 12 астрономических единиц. Как я писал ранее в статье о приливных взаимодействиях между экзопланетами и звёздами, горячие юпитеры известны во многих планетных системах, а холодные юпитеры, то есть, газовые гиганты, расположенные за снеговой линией, встречаются гораздо реже. Нижняя граница массы юпитера может составлять 0,8 от юпитерианской и даже меньше, поэтому к данной категории относятся и планеты с системами колец, более похожие по параметрам на Сатурн.
Вернёмся к типичному набору планет у звезды, похожей на Солнце (речь о жёлтых карликах). По данным исследования, проведённого в Университете центральной Флориды, он выглядит так:
В такой системе как наша должны присутствовать суперземли и мининептуны, а у нас их по каким-то причинам не оказалось. Ранее в статье «Суперземля как иллюзия» я рассказывал, почему разница между суперземлёй и мининептуном может быть мнимой, но статистика подводит нас к тревожному выводу, что наличие газового гиганта в центре планетной системы как у нас — редкая удача, поскольку только в такой конфигурации как у нас аналог юпитера оказывает на всю систему стабилизирующее воздействие, а не разрушительное.
Паноптикум экзопланет
Здесь обратимся к лучшему известному мне сайту с научно-популярной инфографикой, который называется «Halcyon Maps». Его ведёт словацкий художник Мартин Варгич (Martin Vargic), автор множества восхитительных детализированных карт, в том числе «карты стереотипов». Есть на его сайте и подробная карта известных экзопланет, где внесолнечные миры объединены в кластеры по размеру, типу и температуре (температура напрямую связана с близостью от звезды).
По нижнему краю инфографики откладывается равновесная температура планеты — теоретический показатель, напрямую зависящий от свойств той звезды, вокруг которой планета обращается. Поэтому, ориентируясь на неё, планеты удобно объединять в кластеры. Вот участок из левой нижней части, где находятся Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, а также Каллисто, спутник Юпитера и Титан, спутник Сатурна:
Земля и Луна оказались гораздо правее, в районе нижней центральной части диаграммы. С ними соседствуют Kepler-1704b, Kepler-1701b, Kepler-1455b, Лейтен b и K2-72e. Кратко охарактеризую эти планеты и их родительские звёзды.
Kepler-1704b — это суперъюпитер, газовый гигант массой 4,51J, расположенный в системе жёлтой звезды (спектральный класс G2), имеющей массу 1,13 солнечных и светимость 2,83 солнечных. Орбита Kepler 1704b отличается очень высоким эксцентриситетом в 0,921, при максимальном приближении к светилу температура на планете достигает 700 K. Других планет в системе этой звезды не обнаружено.
Kepler-1701b — это тёплая суперземля или мининептун массой 5,57 земных, расположенная в системе красного карлика (спектральный класс K). Других планет в этой системе не обнаружено.
Kepler-1455b — это тёплая суперземля или мининептун массой 5,31 земных, расположенная в системе красного карлика (спектральный класс K). При этом она обращается по практически круговой орбите. Других планет в этой системе не обнаружено.
Лейтен b — это суперземля массой примерно 2,89 земных и радиусом 1,4-1,5 земных, расположенная в системе звезды Лейтена, маленького и холодного красного карлика (спектральный класс M). Она получает от своего светила падающий поток излучения в размере 106% от земного, но температура на поверхности планеты может составлять около 0° С, либо до -15° С. Тем не менее, сейчас эта планета считается одной из самых похожих на Землю (индекс сходства 0,91)
K2-72e — это скалистая планета, близкая по массе и радиусу к Земле. Она расположена в непосредственной близости от своей звезды (около 0,1 а.е., то есть, примерно, как Меркурий от Солнца), совершает оборот вокруг неё за 24 дня и имеет среднюю температуру поверхности до -12° C.
Думаю, вы улавливаете, что здесь не сходится. Пока мы не видим в системах жёлтых карликов или более ярких звёзд ни таких планет, как Земля и Венера, а также почти не встречаем таких планет, как Юпитер и Сатурн. При этом мы регулярно находим «горячие юпитеры», представители которых расположены по правому краю карты Варгича. Эти газовые гиганты расположены в непосредственной близости от своих звёзд, и температура на них может быть даже выше, чем у звёзд спектрального класса K (красных карликов). Самым горячим из известных юпитеров является KELT-9b, расположенный в непосредственной близости от раскалённого белого карлика KELT-9 в созвездии Лебедя. Температура KELT-9 превышает 10 000° С, а температура KELT-9b — 4300 °С. Скорее всего, в толще этой планеты идут, как минимум, очаговые ядерные реакции с участием водорода и дейтерия.
Происхождение горячих юпитеров пока как следует не объяснено, однако, наиболее правдоподобно, что эти газовые гиганты мигрируют из внешних областей своих систем, из-за снеговой линии, в сущности, падая на самую близкую к звезде орбиту, какую могут занять. На этом пути они, должно быть, учиняют хаос среди более мелких планет, таких, как Земля и Марс, либо выбрасывая их за пределы своей системы, либо сбрасывая прямо на звезду, либо разрывая и поглощая.
Ещё более удивительным является отсутствие суперземель в нашей системе, что признают даже Марио Ливио и Ребекка Мартин в своей статье, где аргументируют, в каких отношениях Солнечная система выглядит относительно типичной на фоне других звёздных систем. Можно признать, что разница между землями, суперземлями и мининептунами достаточно зыбкая. Все эти миры обладают атмосферой и литосферой — разнится лишь соотношение этих слоёв. Но, как бы то ни было, в Солнечной системе нет не только горячих юпитеров и суперземель, но и крупных скалистых планет (почти) без атмосферы, которые совершали бы оборот вокруг звезды за несколько дней и располагались к ней в 3-4 раза ближе, чем Меркурий. Открытые нами суперземли и «почти земли» находятся в системах холодных красных и оранжевых карликов. Системы этих звёзд похожи на первую последовательность с первой иллюстрации в этой статье, а о некоторых возможных физических свойствах таких планет я ранее упоминал в статьях «Экзокосмонавтика и точки Лагранжа или держитесь подальше от суперземель», «Негостеприимные красные карлики. Об ультрафиолетовой зоне обитаемости» и «Времена года на некоторых планетах: от Миланковича до Кеплера».
Правда, дефицит холодных юпитеров может объясняться ещё и тем, что юпитероподобные газовые гиганты вообще формируются реже, чем планеты других типов. Рассмотрим этот аспект подробнее.
Генеральная уборка льда
Около 10 лет назад появились первые симуляции развития планетных систем, подсказывающие, что газовые гиганты в протопланетном диске образуются раньше, чем планеты других типов и едва ли успевают обрасти спутниками до того, как устремляются к светилу.
Как демонстрируют астрофизические модели, молодое Солнце было гораздо холоднее нынешнего и излучало примерно на 30% меньше энергии, чем сегодня. Поэтому в большей части протопланетного диска вода существовала в виде льда, и снеговая линия нашей системы пролегала примерно в районе современного пояса астероидов, между будущими Марсом и Юпитером. Лёд (водяной, метановый, аммиачный, углекислотный и другой) благоприятствовал образованию планет, прежде всего, за снеговой линией, то есть, в некотором отдалении от Солнца. Именно поэтому сначала образовались самые крупные планеты в середине протопланетного диска (Юпитер и Сатурн), затем — более мелкие, но также удалённые от Солнца Уран и Нептун. В это время во внутренней части Солнечной системы формировались и мелкие скалистые планеты, но из-за действия звезды и постоянного соударения планетезималей мелкие планеты образовались позже всех. По-видимому, на формирование Юпитера и Сатурна ушло несколько миллионов лет, на формирование Урана и Нептуна — более 10 миллионов лет, а на образование планет земной группы — 100 миллионов лет или более.
После этого перераспределение миров по орбитам ещё продолжалось. Рои комет из пояса Койпера проникали во внутреннюю часть Солнечной системы вплоть до поздней тяжёлой бомбардировки, которая происходила с 4,1 до 3,8 миллиардов лет назад, Нептун ушёл на периферию системы, поменявшись местами с Ураном, а самые крупные ледяные глыбы из пояса Койпера, так и не став кометами, породили класс плутоидов, самыми известными из которых являются Плутон, Эрида, Кваоар и Макемаке.
Юпитер, в свою очередь, стал двигаться по направлению к Солнцу. По пути он обзавёлся множеством спутников, а также не позволил сформироваться ещё одной планете, остатки ядра которой сформировали пояс астероидов. Часть астероидов Юпитер поглотил, а часть выбросил за пределы Солнечной системы. Сейчас точно не известно, почему Юпитер смог стабилизироваться на своей нынешней орбите, а не соскользнуть к Солнцу и не превратиться в горячий юпитер; если бы такое случилось, то, по-видимому, ни одна из планет земной группы до нынешнего времени бы не сохранилась. Однако, будучи центральной планетой нашей системы, Юпитер сыграл важнейшую роль в обеспечении нынешних «тепличных» условий во внутренней её части.
Юпитер не только сформировал пояс астероидов как внутреннюю границу между скалистыми планетами и газовыми гигантами, но и в значительной степени заблокировал проникновение комет в сторону светила. Большинство из этих древних комет влились в сам Юпитер и в Сатурн. Тем не менее, те кометы, которые всё-таки проникали в пространство между Юпитером и Солнцем, оказались достаточно богаты водой и углекислым газом, чтобы значительно увлажнить Марс и Землю, но не превратить их в водные миры. Водяной лёд присутствует даже в глубоких пещерах Меркурия — туда он также принесён кометами.
О возможности сосуществования суперземель и холодных юпитеров
Явная редкость холодных газовых гигантов по сравнению с обилием горячих юпитеров и всевозможных суперземель и мининептунов нуждается в объяснении, и логично предположить, что мы просто оперируем плохой выборкой. Где не хватает наблюдений, могут помочь симуляции. Одно из самых интересных исследований, посвящённых поиску холодных экзоюпитеров, было выполнено в 2020 году под руководством Мартина Шлекера, ныне работающего в Южной Европейской Обсерватории (Мюнхен), а тогда представлявшего Астрономический институт им. Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге. Вместе со Шлекером и его коллегами по MPIA в этой работе участвовал Кристоф Мордасини из Бернского университета и Александр Эмзенхубер университета штата Аризона.
Они выполнили 1000 симуляций развития протопланетного диска у звезды, напоминающей по свойствам первобытное Солнце, немного варьируя исходные условия. В некоторых из этих симуляций вместо Меркурия, Венеры, Земли и Марса во внутренней части системы образовывались 2-3 суперземли, которые, однако, получались чрезвычайно сухими. Вероятно, если бы в звёздной системе было столько льда, сколько действительно было в нашей, то на суперземлях его хватило бы максимум на образование полярных шапок. Эти планеты оставались бы сухими и холодными. Таким образом, наличие засушливой суперземли в системе жёлтого карлика или более крупной звезды косвенно свидетельствует о том, что в этой системе также должен быть холодный или тёплый Юпитер, расположенный в отдалении от звезды. Симуляции, сделанные в рамках этой работы, а также описанные в свежей статье того же коллектива авторов, опубликованной в сентябре 2025 года, свидетельствуют, что до 30% планетных систем могут содержать холодные юпитеры, но лишь в 10% систем возможно существование холодного юпитера и суперземли. Холодный юпитер мешает сформироваться суперземле, забирая нужный для неё материал или просто выбрасывая за пределы системы. При этом сам холодный юпитер находится на относительно большом расстоянии от звезды, поэтому его сложно зафиксировать транзитным или доплеровским методом. Поэтому именно одиночная сухая суперземля является наиболее характерным индикатором того, что поблизости стоит поискать газовый гигант.
Заключение
Согласно современным представлениям, экзопланеты, подобные нашему Юпитеру — действительно не самые частые соседи скалистых землеподобных планет. В старых системах близ красных карликов спектральных классов K и M юпитеры практически отсутствуют, а в системах жёлтых карликов, таких, как наше Солнце, редки суперземли. Но именно благодаря наличию собственного аналога Юпитера в такой системе может находиться и миниземля, либо планета, очень похожая на нашу. Современные телескопы не позволяют достроить этот кусочек паззла, так как экзоземли слишком малы, а экзоюпитеры очень далеки от своих звёзд и, в любом случае, лишь изредка соседствуют со скалистыми планетами и при этом стабильно остаются на орбитах, близким к круговым. Было бы странно, если нам с нашим Юпитером просто повезло.