Сейсмология планет: как столкновения формируют внутреннюю структуру гигантских миров
Новое исследование показывает, что JWST может обнаруживать сейсмические следы столкновений массивных планет в течение миллионов лет после столкновения.
Чтобы понять, насколько бурной была эпоха зарождения Солнечной системы, достаточно взглянуть на Луну. Её поверхность усеяна кратерами — следами множества древних столкновений. В те времена всё пространство было подобно полю обломков, где объекты сталкивались друг с другом в цепных реакциях.
Такое происходило и в других молодых системах. Ученые провели моделирование столкновения двух массивных планет, чтобы выяснить его последствия.
Моделирование столкновения массивных миров
Некоторые экзопланеты могут иметь ядра массой более чем 100 масс Земли. Такие гиганты достигли огромных размеров благодаря слияниям с другими, меньшими по массе телами. Каждый такой «кусок» весил около 10 земных масс.
Исследователи смоделировали столкновение молодого, небольшого газового гиганта со старым и более массивным собратом. Они хотели понять, возникнут ли после удара долгоживущие сейсмические волны, которые можно зарегистрировать телескопом Джеймса Уэбба (JWST).
Исследование сейсмологии планет в действии
Работа, озаглавленная «Сейсмические колебания, вызванные гигантскими ударами в прямых наблюдениях за газовыми гигантами», доступна на сервере препринтов arXiv. Автор — Дж. Дж. Занацци, теоретический физик из Калифорнийского университета в Беркли, специализирующийся на формировании планет.
Исследование опирается на два ключевых вопроса.
Первый: может ли мощный удар породить длительные сейсмические волны?
Второй: способен ли JWST их обнаружить?
Хотя телескоп не видит волны напрямую, он способен фиксировать малейшие изменения света. Если сейсмические волны достаточно сильны, их можно заметить через изменения яркости самой планеты.
«В принципе, столкновения масштаба планеты могут запустить сейсмические колебания в наблюдаемых экзопланетах. Их могут регистрировать миссии типа JWST и Roman», — пишут авторы.
Они добавляют: «Мы показываем, что гигантский удар по молодому газовому гиганту может вызвать долгоживущие колебания, которые можно обнаружить фотометрически».
Бета Живописца b: пример для изучения сейсмологии планет
Ученые сосредоточились на экзопланете Бета Живописца b. Это юный «супер-Юпитер» массой около 13 Юпитерианских. Возраст планеты — от 12 до 20 миллионов лет.
Эта система уже давно привлекает внимание исследователей. Установлено, что планета богата металлами. По данным исследования 2019 года, это связано с активным захватом планетезималей — строительных блоков планет.
Ядро экзопланеты содержит от 100 до 300 масс Земли тяжёлых элементов. В астрономии под «металлами» понимают все элементы тяжелее водорода и гелия, а под «тяжёлыми металлами» — элементы тяжелее железа.
Для моделирования использовался сценарий столкновения планеты массой с Нептун (17 масс Земли) с Бета Живописца b.
Почему сейсмология планет важна для науки
«Сейсмология дает уникальное окно во внутреннее устройство гигантских планет», — говорят авторы.
Они отмечают: самые долгоживущие колебания имеют частоты, близкие к динамическим частотам самой планеты. Это позволяет оценивать среднюю плотность объекта.
Также метод позволяет выявлять слои с устойчивой стратификацией. Аналогичные подходы уже применялись при изучении Сатурна.
Кроме того, учёные предполагают: такие данные могут помочь отследить миграцию планет внутри своей системы.
«Не только столкновения возбуждают сейсмические колебания», — подчеркивают они.
Например, горячие и теплые юпитеры могли образоваться в результате миграции с высокой эксцентриситетностью. В этом случае приливные силы звезды возбуждают самые низкочастотные моды.
Завершают работу слова: «Инфракрасные кривые блеска массивных планет с высокой эксцентриситетностью могут показывать вариации, вызванные приливными f-модами.»
