Суперземля

На фото: Изображение двух гипотетических суперземель при сравнении последних с Землёй.

Суперземля (или сверхземля) — класс планет, масса которых превышает массу Земли, но значительно меньше массы газовых гигантов. Термин «суперземля» описывает исключительно массу планеты, но не зависит от степени её близости к своей звезде или каких-либо других критериев.

Под суперземлёй понимают планету с массой 1 − 10 масс Земли (в других источниках — 5 − 10 масс Земли). Планеты этого типа были обнаружены сравнительно недавно в других звёздных системах. Суперземли имеют небольшую массу, и их трудно обнаружить доплеровской спектроскопией.

Граница между суперземлями и газовыми гигантами типа Нептуна нечётка, и оценивается примерно в 10 масс Земли. Как пример такой пограничной планеты можно привести Мю Жертвенника c (масса — 10,5 масс Земли). Возможные свойства таких планет были теоретически рассчитаны, но прямых наблюдений не было.

Астрономы Шепард и Трухильо считают, что в Солнечной системе, за орбитой Нептуна, в нескольких сотнях а. е. (астрономических единиц) от Солнца может находится суперземля, выполняющая роль планеты-пастуха для Седны и 2012 VP113.

Первая найденная суперземля

Первая планета этого типа была обнаружена возле пульсара PSR B1257+12 в 1991 году, это одновременно и первые открытые 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.

Первая суперземля, обращающаяся вокруг обычной звезды, была обнаружена в 2005 году около звезды Глизе 876 и получила название Глизе 876 d (ранее в этой системе было обнаружено уже 2 газовых гиганта типа Юпитера). Масса планеты была равна 7,5 массам Земли, а протяжённость года на планете — всего 2 дня. Так как Глизе 876 имеет небольшую светимость, то температура на планете составляет около 280 °C.

Суперземли, обнаруженные в 2006 году

Планета OGLE-2005-BLG-390L b, которая обращается вокруг красного карлика.
Две другие планеты этого класса были найдены в 2006 г. OGLE-2005-BLG-390L b имеет массу в 5,5 масс Земли, обращается вокруг красного карлика и была обнаружена с помощью метода гравитационного микролинзирования. Была также найдена планета HD 69830 b с массой в 10 масс Земли.

Первая суперземля в обитаемой зоне

В апреле 2007 года учёными был обнаружен ряд планет возле звезды Глизе 581. Одна из этих планет (Глизе 581 c) имеет массу около 5 масс Земли, удалена от своей звезды на 0,073 а. е. и находится примерно в «зоне жизни» звезды Глизе 581. Ориентировочная температура на поверхности сопоставима с земной: −3 °C с альбедо планеты Венеры и 40 °C в случае земного альбедо. Впрочем, предположительные расчёты говорят, что на планете может быть слишком сильный парниковый эффект. Если так, то реальная температура на планете будет намного выше, чем предполагаемая. Другая планета Глизе 581 d уже слишком далека от своей звезды (2,2 а. е.), чтобы быть в зоне жизни. Масса этой планеты 7,7 масс Земли.

Суперземли, обнаруженные в 2008 году

Самая маленькая найденная (на тот период) суперземля была найдена вокруг объекта MOA-2007-BLG-192L b 2 июня 2008 года. Планета имеет массу 3,3 массы Земли и обращается вокруг коричневого карлика, а найдена она была методом гравитационного микролинзирования.

В июне 2008 года европейскими исследователями в Чили были найдены три суперземли вокруг звезды HD 40307, масса которой почти равна массе Солнца. Масса планет соответственно равна 4,2, 6,7 и 9,4 массы Земли.

Помимо этого, другими европейскими исследователями была обнаружена планета с массой в 7,5 масс Земли, которая обращается вокруг звезды HD 181433. Также планетная система этой звезды содержит планету с массой, примерно равной массе Юпитера, с периодом обращения в 3 года.

Суперземли, обнаруженные в 2009 году

3 февраля 2009 года была найдена планета COROT-7 b с массой в 4,8 масс Земли. Орбитальный период на планете длится около 20 часов, что делает год на планете самым коротким (после 55 Рака e) из всех известных планет. Планета имеет аналогичное с Землёй строение (состоит из каменных минералов, так же как и планеты земной группы в Солнечной системе), но удалена от своей звезды всего на 0,017 а. е. (1/70 расстояния Земля-Солнце), из-за чего её освещённая сторона состоит из кипящего лавового океана, а атмосфера состоит из паров минералов, которые затем идут каменными дождями. Температура на планете больше 2 тысяч градусов. В этом же году была найдена новая планета в системе Глизе 581: Глизе 581 e с массой в примерно 2 массы Земли. Планета была найдена 21 апреля 2009 года. С учётом расстояния до звезды в 0,03 а. е., она слишком близка к своей звезде для того чтобы на ней была жизнь, а год на планете длится всего чуть более трёх дней.

24 августа 2009 года была обнаружена вторая суперземля вокруг звезды COROT-7, COROT-7 c. Она была обнаружена на обсерватории Ла-Силья в Чили при помощи инструмента HARPS. Свойства этой суперземли похожи на свойства суперземли COROT-7 b — масса планеты 8,4 массы Земли, большая полуось 0,046 а. е., обращение вокруг звезды длится около пяти дней. Для наличия жизни там слишком жарко.

16 декабря 2009 года была обнаружена первая планета-океан, GJ 1214 b. Эта планета стала второй, атмосферу которой можно исследовать с помощью текущего оборудования, и первой, которая на 75 % по массе состоит из воды.

На ноябрь 2009 года было найдено 30 суперземель. Большинство из них (24) было обнаружено HARPS (радиальным способом) в Чили.

Суперземли, обнаруженные в 2010 году

7 января 2010 года была обнаружена планета HD 156668 b. Нижний предел массы — 4,15 масс Земли.

В сентябре 2010 года была открыта планета Глизе 581 g, по соседству с Глизе 581 c. Большая полуось — 0,146 а. е. Средняя температура на поверхности планеты оценивается (в зависимости от альбедо) от −31 до −12 °C, что близко к земному значению (-18 °C). Учитывая парниковый эффект, который сильно поднимает температуру на Земле, предполагается, что погодные условия на планете могут быть близкие к земным, там не очень холодно и не очень жарко. Вскоре после наблюдений считалось что на самом деле планеты не существует — она является ошибкой измерений, более поздние данные не подтвердили её существование.

Суперземли, обнаруженные в 2011 году

10 января 2011 года телескоп Кеплер обнаружил с помощью транзитного метода планету Kepler-10 b (также он нашёл ряд горячих юпитеров), которая стала первой подтверждённой каменной планетой.

Kepler-10 b имеет довольно много общего с COROT-7 b, она находится очень близко к своей звезде (≈0,017 а. е.), имеет очень короткий период обращения вокруг своей звезды (20 часов), и очень высокую температуру поверхности (≈1600 °C). Уникальной является очень высокая плотность планеты: она составляет 8,8 г/см3, что выше плотности железа, таким образом предполагается, что планета является железной и в её состав не входит мантия. Радиус планеты больше земного в 1,4 раза, а масса — в 4,5 раза. Освещённая сторона планеты, скорее всего, покрыта расплавленным металлическим океаном.

Также несколько планет в системе Kepler-11 по массе попадают в категорию тяжёлых суперземель.

17 августа 2011 года была обнаружена планета HD 85512 b. Эта планета стала самой маленькой экзопланетой, которую когда-либо обнаружили радиально-лучевым методом. Открытие сделано с помощью спектрографа HARPS, установленного в обсерватории Ла-Силья. Планета обращается вокруг оранжевого карлика с большой полуосью 0,26 а.е. С учётом того, что звезда Глизе 370 светит в 8 раз слабее Солнца, средняя температура на планете составляет ~25 °C (у Земли ~14 °C). Это ставит планету на крайнюю внутреннюю границу зоны обитания, но на планете предполагается жидкая вода, атмосфера. По массе планета в 3,6 раза больше Земли. Однако довольно большой эксцентристет планеты (0.11) приводит к тому, что в перигелии на планете существенно более высокая температура, чем на внутренней границе «зоны жизни», в то время как в афелии планета входит во внутреннюю границу зоны жизни.

Почти одновременно были также обнаружены три горячие суперземли вокруг звезды 82 Эридана (с помощью метода доплеровской спектроскопии). Для исследования использовался спектрограф HARPS. Планеты имеют минимальные массы 2,7, 2,4 и 4,8 земных масс и вращаются близко к своей звезде. Самая дальняя планета имеет большую полуось в 0,35 а.е (примерно как большая полуось Меркурия), период обращения 90 дней. Учитывая светимость звезды, которая равна 0,62 светимости Солнца и предполагаемое альбедо 0,3, температура поверхности планеты составляет ~115 °C, что исключает наличие жидкой воды, а соответственно, и органической формы жизни. Две другие планеты имеют ещё более высокую температуру поверхности.

По данным на 5 декабря 2011 года, телескоп Kepler обнаружил 2326 потенциальных кандидата в статус экзопланеты. Среди них: 207 планет, по размерам близких к земным, 680 суперземель, 1181 планета по размерам, близким к Нептуну, 203 планеты с массой Юпитера, и 55 планет тяжелее Юпитера. Среди этих кандидатов в планеты 48 расположены в «зоне жизни» звёзд.

20 декабря телескоп Kepler обнаружил первые две планеты, по размерам меньше Земли, которые не относятся к классу суперземель. Это Kepler-20 e и Kepler-20 f. Обе планеты по размерам близкие к размерам Земли и Венеры (Kepler-20 e чуть меньше Венеры, а Kepler-20 f чуть больше Земли). Большие полуоси планет соответственно 0,05 а.е и 0,11 а.е. Температура поверхности планеты Kepler-20 e оценивается в 760 °C, Kepler-20 f несколько ниже — около 430 °C, что близко к Венере.

Суперземли, обнаруженные в 2012 году

Новый анализ данных спектра излучения полученного от тройной звёздной системы Gliese 667 в созвездии Скорпиона открыл новые факты о GL 667Cc, суперземле, массой в 4,5 раз превосходящей земную. Температура на поверхности GL 667Cc, по подсчётам учёных, должна соответствовать температуре на поверхности Земли. Планета-кандидат получает около 90% того света, что имеем мы на Земле от Солнца. Однако, поскольку её звезда является карликом «М»-класса, то основная часть спектра излучения получаемого GJ 667Cc приходится на инфракрасный диапазон и планета успешно поглощает большую его часть. Учитывая все эти факторы, учёные пришли к заключению, что исследуемая суперземля получает примерно то же количество звёздной энергии, что и Земля от Солнца.

21 июня 2012 года астрономы из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики сообщили об открытии системы Kepler-36 с двумя транзитными планетами, находящихся во взаимном орбитальном резонансе 34:29. И, хотя массы этих планет различаются менее, чем вдвое, одна из этих планет — Kepler-36b, относится к суперземлям, а вторая, Kepler-36c, к мининептунам. Kepler-36b имеет диаметр, в 1,486 превышающий земной, и массу в 4,45 раз больше земной. Средняя плотность планеты оказывается равной 7,46 г/см3, что говорит о преимущественно скальном составе планеты. Расчётная средняя температура на поверхности суперземли равна 980 K. Kepler-36b вращается вокруг более яркой, чем Солнце звезды с периодом примерно 13,84 суток. Kepler-36 удалена от Земли на расстояние 470 парсеков (1533 световых года).

В июле 2012 года была открыта суперземля Глизе 676A d с минимальной массой в 4,4 земных на 3,6-суточной орбите у красного карлика. Она слишком горяча для наличия жизни, но является первой планетой земного типа, обнаруженной в системе, похожей на Солнечную.

17 октября 2012 года была открыта самая лёгкая суперземля с известной массой (всего в 1,13 раз тяжелее Земли) Альфа Центавра Bb на орбите в 3,3 дня. Говорить об обитаемости планеты не приходится — на ней плавятся даже горные породы (температура поверхности 1200 градусов Цельсия).

Суперземли, обнаруженные в 2014 году

В феврале 2014 года был найден кандидат KOI-2194.03 (или Kepler-371 d), с радиусом 1,54 земных и периодом обращения около 445 дней. Если он подтвердится, то станет первой суперземлёй, находящейся в обитаемой зоне солнцеподобной звезды.

Материнские звёзды

Суперземли были найдены преимущественно у звёзд небольшой массы, менее солнечной, и относящихся к оранжевым и красным карликам. Массы звёзд в основном варьировали от 0,31 до 0,84 масс Солнца. Все обнаруженные суперземли находятся на орбите звёзд, обеднённых металлами.