Насколько большой может быть планета?

Крупнейшие экзопланеты
Некоторые из крупнейших экзопланет в масштабе. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble.

Юпитер – самая большая планета в Солнечной системе. С точки зрения массы, Юпитер намного больше других планет. Если бы вы объединили все другие планеты в одну, то Юпитер всё равно был бы в 2,5 раза массивнее. Трудно понять, насколько огромен Юпитер. Но поскольку мы обнаружили тысячи экзопланет за последние десятилетия, возникает интересный вопрос о том, как их сравнивать. Другими словами, насколько большой может быть планета? Ответ более тонкий, чем вы думаете.

Ответ прост: любая большая планета слишком мала, чтобы быть звездой. Обычное определение для звезды состоит в том, что она должна быть достаточно большой, чтобы в её недрах начали протекать реакции термоядерного синтеза. Звезда главной последовательности – это та, в которой тепло и давление, создаваемые синтезом, уравновешиваются гравитационными силами звезды.

Звёзды в основном состоят из водорода и гелия, и можно с уверенностью предположить, что самые большие планеты имели бы подобный состав. Солнце примерно на 75 процентов состоит из водорода и на 24 процента из гелия, на оставшийся 1 процент приходятся более тяжёлые элементы. Юпитер – это примерно 71% водорода, 24% гелия и 5% других элементов. Итак, давайте считать, что любая большая планета состоит из трёх частей водорода и одной части гелия.

Юпитер
Изображение Юпитера, составленное из четырёх снимков. Авторы и права: NASA Juno Kevin M. Gill.

Пока не происходит слияния, большая планета будет находиться в состоянии гидростатического равновесия. Это означает, что вес всего этого газа, пытающегося разрушиться сам по себе, уравновешивается давлением газа, не желающего быть сжатым. Чем больше у вас массы, тем сильнее сжимается внутренняя часть и тем жарче становится. При достаточной массе внутренняя часть становится достаточно горячей, чтобы водород начал превращаться в гелий. Эта критическая масса составляет около 80 Юпитеров. Всё, что имеет большую массу, должно быть звездой.

Но это не лучший верхний предел, потому что во Вселенной есть объекты, известные как коричневые карлики. Эти объекты похожи на звёзды, потому что они не находятся в гидростатическом равновесии. Их внутреннее пространство генерирует тепло, как звезда, и они могут даже превращать водород в дейтерий, но не в гелий. С другой стороны, самые маленькие коричневые карлики имеют прохладную облачную поверхность и выглядят как планета. Нижний предел массы для коричневого карлика составляет около 13 масс Юпитера.

С точки зрения массы 13 масс Юпитера – хороший верхний предел. Но когда дело доходит до больших планет, самые массивные на самом деле не самые большие по размеру.

Коричневый карлик
Коричневый карлик в представлении художника. Авторы и права: NASA / ESA / JPL.

В отличии от твёрдых веществ, которые слабо сжимаются под давлением, газы могут сжиматься значительно. Таким образом, когда вы добавляете массу к газовой планете, её объем не увеличивается на столько же. Например, Юпитер в три раза массивнее Сатурна, но всего на 20% больше по объёму. Возвращаясь к нашей модели гидростатического равновесия, самые массивные планеты на самом деле меньше Юпитера.

Несколько лет назад Цзинцзин Чен и Дэвид Киппинг провели работу в которой определили как размер планет может варьироваться в зависимости от их массы. Они обнаружили, что существует точка перехода между мирами типа Нептуна, где большая масса стремится увеличить их размер, и мирами типа Юпитера, где большая масса стремится просто сжать газ ещё сильнее. Эта критическая точка составляет примерно половину массы Юпитера, поэтому самые большие планеты должны иметь именно эту массу. Последнее согласуется с наблюдением. Самая большая подтверждённая экзопланета – WASP-17b. Она примерно в два раза больше Юпитера, но имеет только 49 процентов его массы.

Экзопланета
Экзопланета WASP-39b. Авторы и права: G. Bacon (STScI) / NASA / ESA.

Конечно, есть и другие факторы, такие как состав и температура. Крупнейшие известные экзопланеты – это горячие Юпитеры, вращающиеся вокруг своей звезды на относительно небольшом расстоянии. Это означает, что они намного теплее и менее плотные, чем более холодная планета такого же типа, или, например, Юпитер.

Но даже принимая во внимание эти факторы, планеты-гиганты явно являются как самыми большими, так и самыми массивными планетами, которые могут существовать. Юпитер не самая большая планета во Вселенной, но это один из гигантов.

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *