Су́перземля (или све́рхземля) — класс планет, масса которых превышает массу Земли, но меньше массы Нептуна. Мегаземлями называются те из них, чья масса превышает земную в 10 раз и более.
Планеты этого типа были обнаружены сравнительно недавно у других звёзд. Суперземли имеют сравнительно небольшую массу, и их трудно обнаружить методом Доплеровской спектроскопии.
Определение В основном определение суперземель основывается на массе планеты. Этот термин не подразумевает каких-либо определённых характеристик, таких как температура поверхности, состав, параметры орбиты, обитаемость или наличие определённых экосистем. Граница между суперземлями и газовыми гигантами нечёткая, и оценивается примерно в 10 масс Земли (примерно 69% массы Урана, который является наименее массивной планетой-гигантом в Солнечной Системе).
Для нижней границы массы такой планеты источники называют разные значения: от 1 или 1,9 до 5 масс Земли. В научно-популярных изданиях приводят и другие значения. Термин «суперземля» также используется для обозначения планет, которые по своему размеру больше планет земного типа (до 1,2 радиуса Земли), но меньше, чем мининептуны (от 2 до 4 радиусов Земли). Это определение используется командой космического телескопа «Кеплер». Предполагается, что такие планеты состоят в основном из камня и имеют относительно тонкую атмосферу.
Некоторые авторы предлагают считать суперземлями только землеподобные планеты без значительной атмосферы или планеты, у которых есть не только атмосфера, но и твёрдая поверхность или океан с чёткой границей между поверхностной жидкостью и атмосферой (чего нет у планет-гигантов в Солнечной Системе). Планеты с массой, превышающей 10 масс Земли, в зависимости от преобладающих в их составе силикатов, льда или газа, называют массивными планетами из твердого вещества, мегаземлями YouTube или газовыми гигантами.
Формирование суперземель Суперземли были найдены преимущественно у звёзд небольшой массы — менее 1 M — и относящихся к оранжевым и красным карликам. Массы звёзд в основном варьировали в пределах от 0,31 M до 0,84 M. Все обнаруженные суперземли находятся на орбите звёзд, обеднённых металлами.
Однако на данный момент эта информация устарела, в особенности после космического телескопа «Кеплер», проработавшего с 2009 до 2018 годы: суперземли обнаружены у звёзд самых разных масс и металличностей.
Суперземли и модели эволюции планетарных систем Традиционная модель формирования планет предполагает, что планеты формируются в газопылевом диске вокруг молодой звезды в процессе аккреции частиц диска на зародышах планет — планетезималях. Во внутренней части диска, где температура достаточно высока и не так много ледяных частиц, формируются планеты земного типа. Предполагалось, что их размеры не должны существенно превышать размеры Земли. Предполагалось, что планеты большого размера могут формироваться только во внешней части диска, изобилующей ледяными частицами. Также предполагалось, что орбиты планет являются достаточно стабильными, так что они остаются примерно в той же области, что и сформировались.
Однако открытие суперземель заставило астрономов уточнять общепринятые модели планетарной эволюции. Предлагаются уточнения, объясняющие возможное формирование более крупных планет в области протопланетного диска, соответствующей их орбитам, а также модели миграции планет из внешней части диска во внутреннюю. В качестве возможных механизмов такой миграции предлагается либо взаимодействие планеты с материалом протопланетного диска (в таком случае миграция должна происходить в течение нескольких миллионов лет до рассеяния диска), либо гравитационное взаимодействие с другими сформировавшимися планетами, которое может происходить спустя сотни миллионов лет.
В пользу первого варианта может свидетельствовать открытие телескопом «Кеплер» горячего нептуна у звезды, сформировавшейся около 10 миллионов лет назад. С учётом того, что среди открытых планет практически не встречаются такие, которые имеют радиус от 2 до 10 радиусов Земли и орбитальный период менее 4 дней, учёные предполагают, что суперземли начинают свою жизнь как мининептуны, которые мигрируют во внутреннюю часть планетной системы, где излучение звезды сдувает большую часть их атмосферы, оставляя лишь каменистое ядро.
Предельное число суперземель на дальних орбитах
Учёные из Смитсоновской астрофизической обсерватории и из Университета Юты провели моделирование и выяснили, что у звезды с массой 1 M могут сформироваться 1—10 суперземель. Под суперземлёй в данной модели подразумеваются планеты с максимальной массой до 50 M. Согласно моделированию в гравитационно-нестабильном кольце с массой M≥15M из твёрдых тел размером ≈1 см и 1—10 крупных тел размером ≈100 км суперземля формируется на расстоянии 250 а.е за 100—200 миллионов лет, на расстоянии 750 а.е процесс формирования длится дольше, 1—2 миллиарда лет. Если число крупных тел большое, то в кольце инициируется каскад столкновений тел, препятствующий росту суперземель за время жизни звёздной системы. Если мелкие тела кольца обладают низкой плотностью, то тогда при любом количестве крупных тел суперземли не формируются за время в 10 миллиардов лет.
Возможные суперземли в Солнечной системе
Суперземли найдены в каждой третьей планетарной системе, открытой телескопом «Кеплер», что заставляет учёных строить предположения о причинах отсутствия их в Солнечной системе. По одной из версий, отсутствие суперземель связано с миграцией Юпитера во внутреннюю часть протопланетного диска, а затем обратно к его текущей орбите. В ходе такой миграции формировавшиеся суперземли были поглощены Солнцем, а из остатков протопланетного диска сформировались более мелкие планеты земной группы.
Также существуют, но пока не имеют общего признания гипотезы о существовании суперземель во внешних (транснептуновых) областях Солнечной системы (т. н. Девятая планета и другие варианты Планеты X).
Физические характеристики Часть суперземель, вероятно, являются планетами земного типа, — подобно каменистым планетам в Солнечной системе состоят из скальных пород, покрывающих железное ядро планеты. Планеты, сформированные дальше от звезды, также могут содержать значительное количество водяного льда, как и ледяные луны газовых гигантов Солнечной системы, а также метана, водорода и гелия, и других летучих веществ. В этом случае речь идёт о мининептунах и планетах-океанах (океанидах). В результате миграции к своей звезде такие планеты могут стать тёплыми или горячими мининептунами и океанидами.
Однако это не единственный вариант. Если в протопланетном диске вокруг звезды мало кислорода, но много углерода, то формирующиеся планеты будут иметь иной состав — образуются углеродные планеты. У таких планет ядро, вероятно, будет железным, окруженное мантией из карбида кремния. Кора такой планеты может состоять из графита, который на некоторой глубине превращается в алмаз, а на поверхности могут присутствовать угарный газ, метан и другие углеводороды, в зависимости от условий в виде льда, жидкости или газа.
Состояние поверхности каменистых суперземель сильно зависит от интенсивности получаемого ими звёздного света, но в целом ожидается, что суперземли имеют более сильную тектонику плит, чем Земля. Учёные-исследователи предполагают, что суперземли могут быть геологически более активны и на них ожидается более сильный вулканизм в сравнении с Землёй. Предполагается более активная тектоника плит из-за более тонких литосферных плит (в относительных величинах), имеющих области более сильного напряжения. По этой причине, несмотря на различие в размере суперземли и Земли, значительные отличия рельефа суперземли от рельефа Земли не ожидаются. Более активные процессы тектоники плит приведут к тому, что очень высокие горы или очень глубокие океанические жёлобы не будут успевать сформироваться, будучи разрушаемыми сравнительно частыми эндогенными геологическими процессами. Другие исследования, однако, показывают, что кора такой массивной планеты может быть достаточно жесткой, чтобы тектоника плит не могла развиваться. Учёные также полагают, что погода может быть схожа с земной, если суперземля находится в зоне обитаемости.
По мнению Джона Армстронга (университет Уибера) и Рене Геллера (институт исследований Солнечной Системы имени Макса Планка), повышенная поверхностная гравитация таких планет позволит им удерживать более плотные атмосферы, что сделает возможным сохранение тепла на большем расстоянии от материнской звезды. Кроме того, такие планеты будут дольше удерживать внутреннее тепло, что сделает возможным длительное существование вращающегося расплавленного металлического ядра, создающего магнитное поле, а также вулканизма и тектоники плит. Также более сильная гравитация приведёт к сглаживанию поверхности планеты, что приведёт к тому, что большая часть её будет покрыта мелкими морями с небольшими архипелагами островов. По мнению учёных, это создаёт более благоприятные условия для формирования жизни, чем на планетах меньшей массы.
Суперземли и парадокс Ферми Скалистые суперземли, вероятно, являются хорошими кандидатами на существование внеземной жизни. Однако в 2018 году астрофизик Михаэль Хиппке из обсерватории Зоннеберга отметил, что большая сила притяжения суперземель очень затрудняет их гипотетическим жителям выход в космос.
Для примера Хиппке взял экзопланету Kepler-20b. По размеру она примерно на 70% больше Земли, а по массе — почти в 10 раз больше. На такой планете 1-я космическая скорость будет примерно в 2,41 раза выше чем на Земле. В таком случае для запуска в космос всего лишь одной тонны вещества с Kepler-20b ракета-носитель должна быть примерно в 3 раза больше «Сатурна-5». Чтобы запустить на орбиту телескоп, аналогичный «Джеймсу Уэббу» (который весит 6,2 тонны), потребуется примерно 55 тыс. тонн топлива. Наконец, для вывода на орбиту «Аполлона-11» потребуется около 400 тыс. тонн топлива. Таким образом, использование химических ракетных двигателей на таких тяжелых планетах становится нецелесообразным. При этом объёмы расхода горючего растут экспоненциально с увеличением массы экзопланеты, так что для полета даже одной ракеты понадобится значительная доля всего топлива на планете.
На ещё более массивных, чем Kepler-20b, планетах использование химических ракетных двигателей в принципе теряет смысл, уверен Хиппке. «У таких цивилизаций не было бы спутникового телевидения, лунной программы или космических телескопов. Возможно, именно по этой причине земляне пока так и не смогли найти во Вселенной следы активности какой-либо иной разумной жизни», — считает автор исследования.
История открытий Долгое время астрономы считали, что землеподобные планеты без значительной атмосферы с массой, превышающей земную, невозможны, так как в процессе формирования такое небесное тело быстро соберёт толстую атмосферу из водорода и гелия и станет газовым гигантом. Однако открытие уже первых экзопланет показало, что это представление ошибочно.
Первая найденная суперземля Первая планета этого типа была обнаружена возле пульсара PSR B1257+12 в 1991 году, что одновременно было и первым открытием экзопланеты в истории. Две планеты, обращающиеся вокруг нейтронной звезды, имели массу в 4 массы Земли, что явно было слишком мало для того, чтобы быть газовыми гигантами.
Суперземли, обнаруженные в 2004 году В 2004 году была открыта 55 Рака e, обращающаяся вокруг звезды 55 Рака, находящейся в 40 световых годах от Земли. Предполагается, что эта экзопланета имеет атмосферу немного толще земной, а поверхность её покрыта расплавленной лавойA Case for an Atmosphere on Super-Earth 55 Cancri e - AstrobiologyLava or Not, Exoplanet 55 Cancri e Likely to have Atmosphere Elizabeth Landau. NOVEMBER 16, 2017. В 2015 году Международным астрономическим союзом планете было присвоено название Янссен, а её материнской звезде — Коперник.
Суперземли, обнаруженные в 2005 году