Сьогодні кількість підтверджених екзопланет становить 5197 у 3888 планетних системах, а ще 8992 кандидати очікують підтвердження. Більшість були особливо масивними планетами, починаючи від Юпітера та газових гігантів розміром з Нептун, радіус яких приблизно у 2,5 раза перевищує земний. Іншою статистично значущою популяцією є скелясті планети, які мають радіус приблизно 1,4 Землі (так звані "суперземлі").

Це є таємницею для астрономів, особливо коли йдеться про екзопланети, відкриті шановним космічним телескопом Кеплера. Серед понад 2600 планет, відкритих Кеплером, існує очевидна рідкість екзопланет із радіусом приблизно в 1,8 раза більше земного, які вони називають "радіусною долиною". Друга загадка, відома як "горошини в стручку", стосується сусідніх планет подібного розміру, які зустрічаються в сотнях планетних систем з гармонійними орбітами. У дослідженні під керівництвом проєкту Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets (CLEVER) в Університеті Райса міжнародна команда астрофізиків пропонує нову модель, яка пояснює взаємодію сил, що діють на новонароджені планети, що може пояснити ці дві таємниці.

Дослідження проводив Андре Ізідоро, докторант у проєкті Rice CLEVER Planets, який фінансував НАСА. До нього приєдналися колеги-дослідники CLEVER Planets Радждіп Дасгупта та Андреа Ізелла, Хілке Шліхтінг з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA), а також Крістіан Циммерман і Бертрам Бітч з Інституту астрономії Макса Планка (MPIA).

Як вони описують у своїй дослідницькій статті, яка нещодавно була опублікована в Astrophysical Journal Letters, команда використовувала суперкомп’ютер для запуску моделі планетарної міграції, яка симулювала перші 50 мільйонів років розвитку планетарної системи. У їхній моделі протопланетні диски газу та пилу також взаємодіють із міграційними планетами, наближаючи їх до своїх батьківських зірок і замикаючи в резонансні орбітальні ланцюги. Протягом кількох мільйонів років протопланетний диск зникає, розриваючи ланцюги та спричиняючи орбітальні нестабільності, які спричиняють зіткнення двох чи більше планет. Хоча моделі міграції планет використовувалися для вивчення планетних систем, які зберегли орбітальний резонанс, ці знахідки є першими для астрономів.

Як сказав Ізідоро в заяві Університету Райса : "Я вважаю, що ми перші пояснили радіусну долину за допомогою моделі формування планети та динамічної еволюції, яка самоузгоджено враховує численні обмеження спостережень. "Ми також можемо показати, що модель формування планети, яка включає гігантські зіткнення, узгоджується з властивістю екзопланет «горошини в стручках".

Ця робота базується на попередній роботі Ізідоро та проєкту CLEVER Planets. Минулого року вони використали міграційну модель для розрахунку максимального руйнування семипланетної системи TRAPPIST-1. У статті, опублікованій 21 листопада 2021 року в Nature Astronomy, вони використовували моделювання N-тіл, щоб показати, як ця система «горошини в стручку» могла зберегти свою гармонійну орбітальну структуру, всупереч зіткнення, спричинені міграцією планет. Це дозволило їм накласти обмеження на верхню межу зіткнень і масу залучених об’єктів. Їхні результати показують, що зіткнення в системі TRAPPIST-1 можна порівняти з ударом, який створив систему Земля-Місяць.

Ізідоро сказав: «Міграція молодих планет до зірок-господарів створює перенаселеність і часто призводить до катастрофічних зіткнень, які позбавляють планети їхніх багатих на водень атмосфер.

"Це означає, що гігантські зіткнення, як те, що сформувало наш Місяць, ймовірно, є загальним результатом формування планети".

Це останнє дослідження показує, що планети бувають двох варіантів, які складаються з сухих і кам’янистих планет, які на 50 відсотків більші за Землю (суперземлі), і планет, багатих водяним льодом приблизно у 2,5 раза більших за Землю (міні-Нептуни). Крім того, вони припускають, що частина планет, удвічі більша за Землю, збереже свою первісну атмосферу, багату воднем, і буде багата водою. За словами Ізідоро, ці результати узгоджуються з новими спостереженнями, які свідчать про те, що суперземлі та міні-Нептуни не є виключно сухими та кам’янистими планетами.

Ці знахідки відкривають можливості для дослідників екзопланет, які будуть покладатися на космічний телескоп Джеймса Вебба для проведення детальних спостережень за системами екзопланет. Використовуючи передовий набір оптики, інфрачервоних зображень, коронографів і спектрометрів, Вебб та інші телескопи наступного покоління характеризуватимуть атмосфери та поверхні екзопланет, як ніколи раніше.