Super -jord (eller super -jord ) är en klass av planeter vars massa överstiger jordens massa , men mindre än massan av Neptunus [3] .
Planeter av denna typ har upptäckts relativt nyligen runt andra stjärnor. Superjordar har en relativt liten massa och är svåra att upptäcka med dopplerspektroskopi .
I grund och botten är definitionen av superjordar baserad på planetens massa. Termen antyder inte några specifika egenskaper såsom yttemperatur, sammansättning, orbitala parametrar, beboelighet eller förekomsten av vissa ekosystem. Gränsen mellan superjordar och gasjättar är suddig och uppskattas till cirka 10 jordmassor [4] [5] [6] (cirka 69 % av massan på Uranus , som är den minst massiva jätteplaneten i solsystemet ).
För den nedre gränsen för massan av en sådan planet ger källor olika värden: från 1 [4] eller 1,9 [6] till 5 [5] jordmassor. Populärvetenskapliga publikationer ger andra värden [7] [8] [9] . Termen "superjord" används också för att hänvisa till planeter som är större än jordiska planeter (upp till 1,2 jordradier ) men mindre än mini-Neptunus (2 till 4 jordradier) [10] [11] . Denna definition används av Keplers rymdteleskopteam [12] . Man antar att sådana planeter huvudsakligen består av sten och har en relativt tunn atmosfär [3] .
Vissa författare föreslår att endast jordliknande planeter utan betydande atmosfär betraktas som superjordar eller planeter som inte bara har en atmosfär, utan också en fast yta eller ett hav med en tydlig gräns mellan ytvätskan och atmosfären (som jätten planeter i solsystemet inte har) [13] . Planeter med massor som överstiger 10 jordmassor, beroende på den dominerande sammansättningen av silikater, is eller gas, kallas massiva solida planeter [14] , megajordar [15] [16] eller gasjättar [17] .
Superjordar har hittats främst i stjärnor med låg massa - mindre än 1 M ʘ - och släkt med orange och röda dvärgar . Stjärnmassorna varierade huvudsakligen från 0,31 Mʘ till 0,84 Mʘ [ 18] . Alla upptäckta superjordar är i omloppsbana av stjärnor som är utarmade på metaller [18] .
Men för närvarande är denna information föråldrad, särskilt efter Kepler -rymdteleskopet , som fungerade från 2009 till 2018: superjordar har hittats i stjärnor med olika massor och metalliciteter.
Den traditionella modellen för planetbildning antar att planeter bildas i en gas- och dammskiva runt en ung stjärna i färd med att ansamla skivpartiklar på planetembryon - planetesimaler . I den inre delen av skivan, där temperaturen är ganska hög och det inte finns många ispartiklar, bildas terrestra planeter. Det antogs att deras dimensioner inte avsevärt skulle överstiga jordens dimensioner. Man antog att stora planeter bara kunde bildas i den yttre delen av skivan, som är rik på ispartiklar. Man antog också att planeternas banor är tillräckligt stabila så att de förblir ungefär i samma region som de bildades [3] .
Upptäckten av superjordar tvingade dock astronomer att förfina de allmänt accepterade modellerna av planetarisk evolution. Förfiningar föreslås för att förklara den möjliga bildandet av större planeter i området av den protoplanetära skivan som motsvarar deras banor, samt modeller för migration av planeter från den yttre delen av skivan till den inre. Som möjliga mekanismer för sådan migration föreslås antingen planetens interaktion med den protoplanetära skivans material (i detta fall bör migration ske inom flera miljoner år innan skivan försvinner), eller gravitationsinteraktion med andra bildade planeter, vilket kan inträffa efter hundratals miljoner år [3] .
Till förmån för det första alternativet kan Kepler-teleskopets upptäckt av en het Neptunus nära en stjärna som bildades för cirka 10 miljoner år sedan vittna om. Med tanke på det faktum att det bland de upptäckta planeterna praktiskt taget inte finns några sådana som har en radie på 2 till 10 jordradier och en omloppsperiod på mindre än 4 dagar, föreslår forskare att superjordar börjar sina liv som minineptunes som migrerar till den inre delen av planetsystemet, där strålningsstjärnor blåser bort det mesta av sin atmosfär och lämnar bara en stenig kärna [3] .
Forskare vid Smithsonian Astrophysical Observatory och University of Utah körde simuleringar och fann att 1-10 superjordar kunde bildas i en stjärna på 1 Mʘ . Superjord betyder i denna modell planeter med en maximal massa på upp till 50 M ⊕ [19] . Enligt modellering, i en gravitationsmässigt instabil ring med en massa M≥15 M ⊕ av fasta kroppar ≈1 cm i storlek och 1–10 stora kroppar ≈100 km i storlek, bildas en superjord på ett avstånd av 250 AU i 100–200 miljoner år, på ett avstånd av 750 AU .e varar bildningsprocessen längre, 1-2 miljarder år. Om antalet stora kroppar är stort, initieras en kaskad av kollisioner av kroppar i ringen, vilket förhindrar tillväxten av superjordar under stjärnsystemets livstid. Om små ringkroppar har en låg densitet, med hur många stora kroppar som helst, bildas inte superjordar på 10 miljarder år [20] .
Superjordar har hittats i vart tredje planetsystem som upptäckts av Kepler-teleskopet, vilket får forskare att spekulera om orsakerna till deras frånvaro i solsystemet. Enligt en version är frånvaron av superjordar associerad med migrationen av Jupiter in i den inre delen av den protoplanetära skivan och sedan tillbaka till sin nuvarande omloppsbana. Under en sådan migration absorberades superjordarna som bildades av solen, och mindre planeter i den terrestra gruppen bildades av resterna av den protoplanetära skivan [3] .
Det finns också, men ännu inte allmänt accepterade, hypoteser om förekomsten av superjordar i de yttre ( trans-neptuniska ) regionerna av solsystemet (den så kallade nionde planeten och andra varianter av planet X ) [3] .
En del av superjordarna är troligen markplaneter - liksom stenplaneterna i solsystemet är de sammansatta av steniga stenar som täcker planetens järnkärna. Planeter som bildas längre från en stjärna kan också innehålla betydande mängder vattenis, liksom de isiga månarna i solsystemets gasjättar, liksom metan, väte och helium och andra flyktiga ämnen. I det här fallet talar vi om mini- Neptunes och planeter-oceaner (oceanider). Som ett resultat av migration till deras stjärna kan sådana planeter bli varma eller varma mini-Neptunes och oceanider.
Detta är dock inte det enda alternativet. Om det finns lite syre i den protoplanetära skivan runt stjärnan, men mycket kol, så kommer de bildade planeterna att ha en annan sammansättning - kolplaneter bildas. Sådana planeter har sannolikt en järnkärna omgiven av en kiselkarbidmantel. Skorpan på en sådan planet kan bestå av grafit, som på något djup förvandlas till diamant, och kolmonoxid, metan och andra kolväten kan finnas på ytan, beroende på förhållandena, i form av is, vätska eller gas.
Yttillståndet hos steniga superjordar är starkt beroende av intensiteten av stjärnljuset de tar emot , men i allmänhet förväntas superjordar ha starkare plattektonik än jorden. Forskare tyder på att superjordar kan vara geologiskt mer aktiva och att mer intensiv vulkanism förväntas på dem jämfört med jorden . Mer aktiv plattektonik antas på grund av att tunnare litosfäriska plattor (i relativa termer) har områden med högre spänning. Av denna anledning, trots skillnaden i storleken på superjorden och jorden, förväntas inte signifikanta skillnader i superjordens topografi från jordens topografi . Mer aktiv plattektonik kommer att resultera i att mycket höga berg eller mycket djupa havsgravar inte hinner bildas, och att de eroderas av relativt frekventa endogena geologiska processer. Andra studier visar dock att jordskorpan på en så massiv planet kan vara tillräckligt stel för att plattektoniken inte kan utvecklas. Forskare tror också att vädret kan likna jorden om superjorden är i den beboeliga zonen [21] .
Enligt John Armstrong ( Wieber University ) och Rene Geller ( Max Planck Institute for Solar System Research ) kommer den ökade ytgravitationen hos sådana planeter att göra det möjligt för dem att hålla tätare atmosfärer, vilket gör det möjligt att lagra värme på ett större avstånd från förälders stjärna. Dessutom skulle sådana planeter behålla inre värme under längre tid, vilket möjliggör den fortsatta existensen av en roterande smält metallkärna som skapar ett magnetiskt fält , såväl som vulkanism och plattektonik. Dessutom kommer starkare gravitation att plana ut planetens yta, vilket resulterar i att det mesta av den är täckt av grunda hav med små skärgårdar av öar. Enligt forskare skapar detta gynnsammare förutsättningar för bildandet av liv än på mindre planeter [3] .
Steniga superjordar är sannolikt goda kandidater för existensen av utomjordiskt liv. I mitten av april 2018 lade den tyske astrofysikern Michael Hippke, som arbetar vid Sonneberg-observatoriet , fram en hypotes enligt vilken hypotetiska främmande civilisationer som lever på superjordar inte kan lämna sina planeter på grund av den stora tyngdkraften.
Till exempel tog Hippke exoplaneten Kepler-20b . Den är ungefär 70 % större än jorden i storlek och nästan 10 gånger större i massa. På en sådan planet kommer den första kosmiska hastigheten att vara ungefär 2,41 gånger högre än på jorden. I det här fallet, för att skjuta ut i rymden bara ett ton materia från Kepler-20b, måste bärraketen vara ungefär 3 gånger så stor som Saturn-5 . Att skjuta upp ett teleskop som James Webb (som väger 6,2 ton) i omloppsbana skulle kräva cirka 55 000 ton drivmedel. Slutligen kommer cirka 400 tusen ton bränsle att krävas för att sätta Apollo 11 i omloppsbana [22] . Således blir användningen av kemiska raketmotorer på sådana tunga planeter opraktisk. Samtidigt växer volymen av bränsleförbrukningen exponentiellt med en ökning av exoplanetens massa, så att för flygningen av ens en raket kommer en betydande del av det totala bränslet på planeten att behövas.
På ännu mer massiva planeter än Kepler-20b är användningen av kemiska raketmotorer i princip meningslös, är Hippke säker. "Sådana civilisationer skulle inte ha satellit-tv, ett månprogram eller rymdteleskop. Kanske är det av denna anledning som jordbor ännu inte har kunnat hitta spår av aktiviteten hos något annat intelligent liv i universum, "tror författaren till studien.
Studien lämnades in för publicering i International Journal of Astrobiology [23] [24] .
Under en lång tid trodde astronomer att jordliknande planeter utan en betydande atmosfär med en massa som överstiger jordens är omöjliga, eftersom en sådan himlakropp snabbt kommer att samla en tjock atmosfär av väte och helium och bli en gasjätte. . Upptäckten av de första exoplaneterna visade dock att en sådan idé är felaktig [3] .
Den första planeten av denna typ upptäcktes nära pulsaren PSR B1257+12 1991, vilket också var den första upptäckten av en exoplanet i historien. De två planeterna som kretsade kring en neutronstjärna hade en massa på 4 jordmassor, vilket helt klart var för litet för att vara gasjättar .
År 2004 upptäcktes 55 Cancer e som kretsade kring stjärnan 55 Cancer , som ligger 40 ljusår från jorden [3] . Det antas att denna exoplanet har en atmosfär som är något tjockare än jordens, och dess yta är täckt med smält lava [25] [26] . 2015 gav Internationella astronomiska unionen planeten Janssen och dess moderstjärna Copernicus [27] .
Superjorden upptäcktes 2005 nära stjärnan Gliese 876 och fick namnet Gliese 876 d (tidigare upptäcktes redan två gasjättar liknande Jupiter i detta system ). Planetens massa var lika med 7,5 massor av jorden, och längden på planetåret på planeten var bara 2 dagar. Eftersom Gliese 876 har en låg ljusstyrka är temperaturen på planeten cirka 280 °C [28] .
Två andra planeter av denna klass hittades 2006. OGLE-2005-BLG-390L b har en massa på 5,5 jordmassor, kretsar kring en röd dvärg och upptäcktes med hjälp av gravitationsmikrolinsmetoden . Planeten HD 69830 b hittades också med en massa på 10 jordmassor [29] .
I april 2007 upptäckte forskare ett antal planeter nära stjärnan Gliese 581 [30] . En av dessa planeter ( Gliese 581 c ) har en massa på cirka 5 jordmassor och är 0,073 AU från sin stjärna. och ligger i området för "livszonen " av stjärnan Gliese 581. Den ungefärliga temperaturen på ytan är jämförbar med jordens: −3 ° C från planeten Venus albedo och 40 ° C i fallet med jordens albedo. Preliminära beräkningar visar dock att det kan finnas en för stark växthuseffekt på planeten . I det här fallet kommer den faktiska temperaturen på planeten att vara mycket högre än förväntat. En annan planet, Gliese 581 d , är redan för långt från sin stjärna (2,2 AU ) för att falla in i livszonen. Massan av denna planet är 7,7 jordmassor.
Den minsta superjorden som upptäcktes för denna period hittades runt objektet MOA-2007-BLG-192L den 2 juni 2008 [31] [32] . Planeten har en massa på 3,3 jordmassor och kretsar kring en brun dvärg , och den upptäcktes genom gravitationell mikrolinsning.
I juni 2008 upptäckte europeiska forskare i Chile tre superjordar runt stjärnan HD 40307 , vars massa är nästan lika med solens . Planeternas massa är 4,2, 6,7 respektive 9,4 jordmassor [33] .
Dessutom har andra europeiska forskare upptäckt en planet med en massa på 7,5 jordmassor, som kretsar kring stjärnan HD 181433 . Dessutom har planetsystemet för denna stjärna en planet med en massa som är ungefär lika med Jupiters, med en omloppstid på 3 år [34] .
Den 3 februari 2009 upptäcktes planeten COROT-7 b med en massa på 4,8 jordmassor. Omloppstiden på planeten varar cirka 20 timmar, vilket gör året på planeten till det kortaste (efter 55 Cancer e ) av alla kända planeter. Planeten har en struktur som liknar jorden, består av stenmineraler, precis som de jordiska planeterna i solsystemet , men är bara 0,017 AU från sin stjärna. (~1/70 av avståndet från jorden till solen), på grund av vilket dess upplysta sida består av ett kokande lavahav, och atmosfären består av mineralångor, som när de kyls ned faller ut som stenregn. Temperaturen på planeten är mer än 2 tusen grader [35] . Samma år hittades en ny planet i Gliese 581- systemet : Gliese 581 e med en massa på cirka 2 jordmassor. Planeten hittades den 21 april 2009. Givet avståndet till stjärnan 0,03 AU , den är för nära sin stjärna för att liv ska kunna existera, och planetens år varar drygt tre dagar [36] [37] .
Den 24 augusti 2009 upptäcktes en andra superjord nära stjärnan COROT-7 - COROT-7 c . Den upptäcktes vid La Silla-observatoriet i Chile med hjälp av HARPS- instrumentet . Egenskaperna för denna superjord liknar de för COROT-7 b superjorden - planetens massa är 8,4 jordmassor, halvstoraxeln är 0,046 AU. , varar revolutionen runt stjärnan cirka fem dagar. Temperaturen på planeten är för hög för att liv ska existera.
Den 16 december 2009 upptäcktes GJ 1214 b . Enligt planetens massa och radie antogs det att den består av 75% vatten och 25% av steniga material och järn , och planetens atmosfär innehåller väte och helium och är 0,05% av massan av planeten. planeten [38] [39] [40] . De exakta förhållandena på planeten är okända: det kan vara en stenig planet med en väterik atmosfär, en mini-Neptunus eller en vattenplanet [41] .
I november 2009 har 30 superjordar upptäckts. De flesta av dem, 24, detekterades på HARPS-spektrografen i Chile , med hjälp av den radiella hastighetsmetoden [42] .
Den 7 januari 2010 upptäcktes planeten HD 156668 b . Den nedre massagränsen är 4,15 jordmassor.
I september 2010 upptäcktes planeten Gliese 581 g , belägen i samma planetsystem som Gliese 581 c . Dess halvstora axel är 0,146 AU. Medeltemperaturen på planetens yta uppskattas, beroende på albedo, från -31 ° C till -12 ° C, vilket är nära jordens värde på -18 ° C . Med tanke på närvaron av växthuseffekten , som avsevärt påverkar temperaturen på jorden, antas det att klimatförhållandena på planeten kan vara nära jordens, det vill säga det finns måttliga förhållanden. Strax efter observationerna trodde man att planeten inte riktigt existerade, och upptäckten är ett mätfel. Senare data bekräftade faktiskt inte dess existens.
Den 10 januari 2011 upptäckte Kepler-teleskopet planeten Kepler-10 b med hjälp av transitmetoden (det hittade också ett antal heta Jupiters ), som blev den första bekräftade markplaneten .
Kepler-10 b har ganska mycket gemensamt med COROT-7 b , är mycket nära sin stjärna (≈0,017 AU), har en mycket kort omloppstid runt sin stjärna (20 timmar) och en mycket hög yttemperatur (≈ 1600°C). Den mycket höga densiteten hos planeten är unik: den är 8,8 g/cm 3 , vilket är högre än densiteten för järn , därför antas det att planeten är järn och inte inkluderar en mantel . Planetens radie är 1,4 gånger större än jordens, och dess massa är 4,5 gånger större. Den upplysta sidan av planeten är troligen täckt av ett hav av smält metall.
Dessutom faller flera planeter i Kepler-11- systemet i kategorin tunga superjordar i massa.
Den 17 augusti 2011 upptäcktes planeten HD 85512 b . Denna planet blev den minsta exoplanet som någonsin upptäckts med radialstrålemetoden. Upptäckten gjordes med hjälp av HARPS-spektrografen installerad vid La Silla-observatoriet . Planeten kretsar kring en orange dvärg med en halvstor axel på 0,26 AU . Med tanke på att stjärnan Gliese 370 lyser 8 gånger svagare än solen, är medeltemperaturen på planeten ~25 °C ( jorden ~14 °C). Detta placerar planeten vid den inre gränsen av den beboeliga zonen, men planeten antas ha flytande vatten , en atmosfär [43] [44] . I massa är planeten 3,6 gånger större än jorden. Men planetens ganska stora excentricitet (0,11) leder till att planeten vid perihelium har en betydligt högre temperatur än vid den inre gränsen av "livszonen", medan planeten vid aphelion går in i livets inre gräns. zon.
Nästan samtidigt upptäcktes också tre heta superjordar runt stjärnan 82 Eridani (med hjälp av dopplerspektroskopi). HARPS - spektrografen användes för studien . Planeterna har minsta massor av 2,7, 2,4 och 4,8 jordmassor och kretsar nära sin stjärna. Den mest avlägsna planeten har en halvstoraxel på 0,35 AU (ungefär samma som Merkurius halvstoraxel ), med en omloppstid på 90 dagar. Med tanke på stjärnans ljusstyrka, som är lika med 0,62 av solens ljusstyrka och den uppskattade albedon på 0,3, är planetens yttemperatur ~115 °C, vilket utesluter närvaron av flytande vatten, och följaktligen en organisk livsform. De andra två planeterna har ännu högre yttemperaturer.
Den 5 december 2011 har Kepler- teleskopet hittat 2 326 potentiella exoplanetkandidater. Bland dem: 207 planeter nära jorden i storlek, 680 superjordar, 1181 planeter nära Neptunus i storlek , 203 planeter med massan av Jupiter och 55 planeter tyngre än Jupiter. Bland dessa planetkandidater är 48 belägna i stjärnornas "livszon".
Den 20 december upptäckte Kepler- teleskopet de två första planeterna i storlek jämförbara med jorden , som inte tillhör klassen superjordar. Dessa är Kepler-20 e och Kepler-20 f . Båda planeterna är nära storleken på jorden och Venus (Kepler-20 e är något mindre än Venus, och Kepler-20 f är något större än jorden). Planeternas halvstora axlar är 0,05 AU respektive 0,11 AU . Yttemperaturen på planeten Kepler-20 e uppskattas till 760 ° C, Kepler-20 f är något lägre - cirka 430 ° C, vilket är nära Venus.
En ny analys av strålningsspektrumdata från trippelstjärnsystemet Gliese 667 i stjärnbilden Skorpionen har avslöjat nya fakta om GL 667 °C c, en superjord med en massa som är 4,5 gånger jordens [45] . Yttemperaturen GL 667 °C c bör motsvara temperaturen på jordens yta. Kandidatplaneten får cirka 90 % av det ljus som vi har på jorden från solen. Men eftersom dess stjärna är en "M"-klass dvärg, faller huvuddelen av strålningsspektrumet för den mottagna GJ 667 ° C c på det infraröda området och planeten absorberar framgångsrikt det mesta av det. Med tanke på alla dessa faktorer kom forskare till slutsatsen att den studerade superjorden får ungefär samma mängd stjärnenergi som jorden från solen.
Den 21 juni 2012 rapporterade astronomer från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics upptäckten av Kepler-36- systemet med två transitplaneter i en ömsesidig omloppsresonans på 34:29 [46] [47] . Även om massorna av dessa planeter skiljer sig med mindre än hälften, är en av dessa planeter, Kepler-36 b, en superjord, och Kepler-36 c är en mini-Neptunus. Kepler-36 b har en radie på 1,486 jordradier och en massa på 4,45 jordmassor. Den genomsnittliga densiteten för planeten visar sig vara 7,46 g/cm³, vilket indikerar en övervägande stenig sammansättning av planeten. Den beräknade medeltemperaturen på superjordens yta är 980 K. Kepler-36 b kretsar kring en stjärna som är ljusare än solen med en period på cirka 13,84 dagar. Kepler-36 är 470 pc (1533 ljusår ) från jorden.
I juli 2012 upptäcktes superjorden Gliese 676 A d med en minsta massa på 4,4 jordar i en 3,6-dagars bana runt en röd dvärg i Gliese 676 -systemet . Det är för varmt för att liv ska existera, men är den första jordiska planeten som finns i ett solliknande system.
Den 17 oktober 2012 upptäcktes den lättaste superjorden med en känd massa (endast 1,13 gånger tyngre än jorden) Alpha Centauri B b i en omloppsbana på 3,3 dagar. Det finns ingen anledning att prata om planetens beboelighet - till och med stenar smälter på den (yttemperaturen är 1200 grader Celsius).
I februari 2014 hittades kandidaten KOI-2194.03 (eller Kepler-371 d), med en radie på 1,54 jorden och en omloppstid på cirka 445 dagar. Om det bekräftas, skulle det vara den första superjorden att vara i den beboeliga zonen för en solliknande stjärna.
Den 6 januari 2015 tillkännagav NASA upptäckten av den 1000:e exoplaneten med hjälp av Kepler- teleskopet. Endast tre exoplaneter har rapporterats som är i den beboeliga zonen och är superjordar: Kepler-438 b , Kepler-442 b , Kepler-440 b [48] .
Den 30 juli 2015 rapporterade Astronomy & Astrophysics upptäckten av ett planetsystem med fyra exoplaneter (inklusive tre superjordar) som kretsar kring den ljusa dvärgstjärnan Gliese 892 på ett avstånd av 21 ly. år från solen, på stjärnhimlen - på det M-formade norra halvklotet av stjärnbilden Cassiopeia. Alla upptäckta planeter är utanför den beboeliga zonen. [49] [50] [51]
I februari 2016 tillkännagav NASA upptäckten av väte och helium (och förmodligen vätecyanid) i atmosfären på planeten Janssen med hjälp av Hubble-teleskopet. Detta var den första framgångsrika analysen av sammansättningen av en superjords atmosfär. Ingen vattenånga hittades i atmosfären. [52]
I augusti dök ett meddelande upp om upptäckten av en liten planet som ligger i den beboeliga zonen av stjärnan närmast solen - Proxima Cetaurus . [53] Proxima Centauri b kan vara ett av målen för forskningsprogrammet Breakthrough Starshot . [53]
Superjorden GJ 9827 b i den orangea dvärgen GJ 9827 med en massa lika med 8,2 ± 1,5 jordmassor och en radie på 1,64 ± 0,22 jordradier har en medeldensitet på ca. 10 g/cm³ [54] .
Superjorden 40 Eridani A b i den gula dvärgen 40 Eridani A med en massa på 8,47 ± 0,47 jordmassor ligger i den beboeliga zonen [55] .
Superjorden EPIC 201238110.02 med en radie på 1,87 jordradier hittades i den beboeliga zonen av stjärnan EPIC 201238110 med en massa på 0,41 jordmassor [56] [57] .
Det antas att nya upptäckter av exoplaneter, inklusive superjordar, såväl som förfining av deras fysiska parametrar, kommer att associeras med analysen av data som erhållits av rymdteleskopet TESS , såväl som med observationer med James Webb-rymdteleskopet [3] .