Экзопланеты Kepler-138c и Kepler-138d вращаются вокруг крошечной звезды в 218 световых годах от нас. Обе примерно в 1,5 раза больше радиуса Земли. По всей вероятности, обе – с каменно-металлической внутренней частью.

Это первые планеты, которые можно уверенно идентифицировать как водные миры. Таким образом, средняя глубина океанов на этих планетах может достигать 2000 километров (на Земле – 3,7 км). Так как планеты находятся очень близко к звезде, их период обращения – 13 и 23 дня соответственно, скорее всего, там очень жарко – они окутаны толстой и плотной атмосферой водяного пара. А еще из-за огромного давления вода там может принимать четвертое состояние вещества – превращаться в так называемую сверхкритическую жидкость.

Kepler-138 (KOI-314) – звезда, которая находится в созвездии Лиры на расстоянии около 217 световых лет от Солнца. Вокруг звезды обращаются, как минимум, три планеты.

Kepler-138 – красный карлик спектрального класса M0/1 V, имеющий видимую звёздную величину 12,9m. Впервые упоминается в каталоге 2MASS под наименованием 2MASS J19213157+4317347. В настоящий момент более распространено наименование Kepler-138, данное группой исследователей из команды космического телескопа Кеплер, открывших у неё планеты. Звезда имеет массу и радиус, равные 57% и 54% солнечных соответственно. Температура на поверхности звезды равна приблизительно 3871 K. Светимость звезды в 38.5 раз слабее солнечной. Возраст Kepler-138 составляет более одного миллиарда лет.

Астрономы описали новый тип экзопланет, найденный в системе красного карлика Kepler-138. Это оказались тела, похожие на суперземли, однако богатые летучими веществами и обладающие мантией из воды. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Считается, что экзопланеты с радиусами меньше 1,7 радиуса Земли, в основном, представлены скалистыми телами, которые получили обозначение суперземель. Это подтверждается уже определенными свойствами суперземель, найденных у близких к Солнцу звезд. Тем не менее, в теории возможны разные варианты внутреннего строения суперземель, которые необходимо проверять на практике, для чего требуется увеличивать выборку известных экзопланет и определять их физические параметры.

Группа астрономов во главе с Кэролайн Пиоле (Caroline Piaulet) из Института исследований экзопланет Университета Монреаля сообщила об открытии нового типа экзопланет в системе Kepler-138, которая содержит четыре планеты, и красный карлик и находится на расстоянии 218 световых лет от Солнца. Ученые анализировали данные наблюдений за транзитами экзопланет Kepler-138c и Kepler-138d по родительской звезде, полученные при помощи космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер», а также данные по динамике лучевой скорости звезды, полученные прибором HIRES на наземном телескопе Кека.

Измеренная масса Kepler-138c составила 2,3 массы Земли, а Kepler-138d – 2,1 массы Земли. При радиусах 1,51 радиуса Земли это дает среднюю плотность в 3,6 грамма на кубический сантиметр. Орбитальные периоды планеты составляют 13 и 23 земных дня, а эффективные температуры – 410 и 345 кельвин.

Ученые пришли к выводу, что планеты не вписываются в модель тела, состоящего только из горных пород, а больше похожи на водные миры. Они больше напоминают по своему составу ледяные спутники планет-гигантов, а не планеты земной группы в Солнечной системе. В частности, 11 процентов массы (и 51 процент объема) Kepler-138d составляют летучие вещества, в основном вода, которая образует мантию, покрывающую ядро из железа и силикатов. Над мантией, которая простирается до глубины в две тысячи километров, располагается плотная атмосфера, содержащая водяной пар.

Планетологи детально изучили экзопланеты Kepler-138c и Kepler-138d в созвездии Лиры и обнаружили, что оба мира являются не крупными каменистыми "суперземлями", а гигантскими водными экзопланетами, похожими по химическому составу на луны Сатурна и Юпитера.

"В прошлом мы думали, что все планеты, которые несколько превышают Землю по размерам, представляют собой сферы из горных пород и металла. Мы обнаружили, что это не так как минимум для двух планет, Kepler-138c и Kepler-138d – они почти полностью состоят из воды. Это открытие стало первым 100% подтверждением того, что подобные гигантские водные миры могут существовать", – заявил профессор Монреальского университета (Канада) Бьорн Беннеке, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

За последние несколько лет астрономы открыли свыше тысячи экзопланет и несколько тысяч возможных кандидатов на эту роль. Многие из них относятся к числу так называемых "суперземель", чья масса и размеры находятся примерно посередине между значениями Земли и газовых гигантов. Астрономы давно пытаются понять, похожи ли эти миры на увеличенные копии нашей планеты, как предполагают многие планетологи. Это критически важно для оценки их пригодности к жизни.

Профессор Беннеке и его коллеги получили первые однозначные свидетельства того, что как минимум некоторая часть из "супереземель" представляет собой гигантские водные миры, похожие по своему устройству, химическому и минеральному составу на ледяные луны Сатурна и Юпитера. Ученые пришли к такому выводу в ходе наблюдений за звездной системой Kepler-138, расположенной в созвездии Лиры на расстоянии в 218 световых лет от Земли.

Присутствующее в ней светило – красный карлик, а также вращающиеся вокруг него планеты были открыты еще в 2014 году орбитальным телескопом "Кеплер". Полученные ими снимки указали на присутствие трех миров: одной небольшой планеты размером с Марс (Kepler-138b), а также двух более крупных миров (Kepler-138c и Kepler-138d), потенциальных кандидатов на роль "суперземель", природа которых не была до конца ясна.

Канадские исследователи и их коллеги из США и стран Европы провели повторные наблюдения за системой Kepler-138 при помощи орбитальных телескопов "Хаббл" и "Спитцер". Полученные ими снимки неожиданно указали на присутствие четвертой планеты в этой звездной системе, а также помогли астрономам определить точную массу планет Kepler-138c и Kepler-138d - они оказались в 2,3 и 2,1 раза тяжелее Земли.

Как отмечают исследователи, оба этих значения оказались неожиданно низкими по сравнению с предыдущими оценками. Это говорит о низкой плотности материи данных "суперземель", что делает их похожими не на Землю, Марс и другие каменистые миры Солнечной системы, а на Европу, Ганимед, Энцелад и прочие ледяные луны Юпитера и Сатурна.

По словам профессора Беннеке и его коллег, это означает, что Kepler-138c и Kepler-138d представляют собой гигантские водные планеты, чья кипящая поверхность покрыта очень плотной и густой атмосферой из горячего водяного пара. Это значительно уменьшает вероятность зарождения и существования жизни на подобных "суперземлях", подытожили авторы исследования.

Астрономы Университета Монреаля провели исследование двух экзопланет обнаруженных космическим телескопом Kepler. Повторный анализ с помощью телескопа Хаббл показал, что эти планеты состоят в основном из воды. Атмосфера этих планет – горячий водяной пар. Вокруг родительской звезды, вероятно, вращается и более далекая планета, где не так жарко и на ней вполне может быть жидкая вода.

Согласно новому исследованию, две планеты, обнаруженные еще космическим телескопом NASA Kepler в 2014 году состоят в основном из воды. Это – «водные миры» – теоретически предсказанный, но до сих пор не найденный тип экзопланет.

Две экзопланеты, названные Kepler-138c и Kepler-138d, вращаются вокруг звезды, расположенной на расстоянии около 218 световых лет от Земли в созвездии Лиры. Ученые, заинтригованные данными космического телескопа Kepler за 2014 год, решили повторно исследовать эти планеты с помощью космического телескопа Хаббл, добавили данные уже не работающего телескопа Спитцер и получили ответ на вопрос: из чего состоят эти планеты? Ответ оказался довольно неожиданный: эти экзопланеты состоят в основном из воды.

«Мы думали, что эти планеты, которые немного больше Земли, состоят из металла и камня, и поэтому мы назвали их суперземлями», – говорит Бьорн Беннеке, астрофизик из Университета Монреаля, соавтор новой работы. – «Но теперь мы показали, что планеты, Kepler-138c и d, вероятно, состоят из воды. Мы впервые наблюдаем планеты, которые можно с уверенностью идентифицировать как водные миры. Этот тип планет теоретически описан уже давно, но мы его еще не видели».

Пока существует возможность, что планеты все-таки не «водные». Но это маловероятно. Исследователи смогли рассчитать плотность каждой планеты: каждая из них примерно в три раза больше Земли по объему, но только в два раза больше по массе, что делает их намного менее плотными, чем наш мир. Низкая плотность предполагает, что до половины каждой планеты состоит из чего-то более тяжелого, чем водород и гелий газовых гигантов, но более легкого, чем металл и камень. Остается самая реальная возможность – это вода.

Исследователи предполагают, что эти две планеты похожи на ледяные луны Юпитера и Сатурна, которые могут скрывать океан жидкой воды под ледяной оболочкой. Но миры Kepler-138с и Kepler-138d намного горячее, чем спутники гигантов Солнечной системы.

«Представьте себе более крупные версии Европы или Энцелада, богатые водой, но расположенные гораздо ближе к своей звезде», – говорит соавтор работы Кэролайн Пиоле, – «Температура в атмосферах Kepler-138c и Kepler-138d, вероятно, выше точки кипения воды, и мы ожидаем, что она состоит из пара». Но ученые считают, что под этим паром может быть жидкая вода, хотя, возможно, перегретая под большим давлением.

А если посмотреть немного дальше от родительской звезды? Данные, полученные астрономами, указывают и на более далекую от родительской звезды – четвертую планету. Если ее откроют, – она получит название Kepler-138e. Это небольшая планета, делающая оборот вокруг звезды за 38 дней на таком расстоянии, где на поверхности может быть жидкая вода. (Kepler-138с и d совершают оборот каждые 10 и 14 дней соответственно.)

«Как только наши инструменты и методы станут достаточно чувствительными, чтобы находить и изучать планеты, которые находятся далеко от своих звезд, мы будем находить все больше водных миров, таких как Kepler-138c и d», – сказал Беннеке. Новые инструменты дадут ответ и на новый вопрос: есть ли на Kepler-138e жидкая вода.

Напрямую воду на планетах Kepler-138 c и d ученые не зафиксировали. Но, сравнивая размеры и массы планет с моделями, астрономы пришли к выводу, что значительная часть их объема – до половины – должна состоять из материалов, которые легче камня, но тяжелее водорода или гелия (которые составляют основную часть газовых планет-гигантов, таких как Юпитер). Самый подходящий кандидат – вода.

Исследователи отмечают, что больше всего эти планеты могут быть похожи на некоторые из ледяных спутников во внешней Солнечной системе, которые также в значительной степени состоят из воды, окружающей каменистое ядро.

На поверхности планет в системе Kepler-138 может не быть таких океанов, как на Земле. Температура в атмосферах Kepler-138 c и Kepler-138 d, вероятно, выше точки кипения воды, поэтому ожидается, что на этих планетах будет толстая и плотная атмосфера, состоящая из пара. Только в этой паровой атмосфере потенциально может быть жидкая вода под высоким давлением или даже вода в другой фазе, которая возникает при высоком давлении – сверхкритическая жидкость.

Проблема в том, что их нельзя приписать ни к газовым, как Юпитер или Сатурн, ни к каменистым, как Земля или Марс. Речь идёт о планетах в созвездии Лиры – в системе красного карлика Кеплер-138, он почти вдвое меньше Солнца и находится в 219 световых годах от нас. В масштабах галактики это, можно сказать, по соседству. Возле этой звёздочки замечены в общей сложности четыре мира (один из них пока не подтверждён), и в том числе самый маленький из всех, что на сегодняшний день удалось рассмотреть в телескопы, – по размерам вроде Марса. С этим всё более или менее понятно, по крайней мере, учёные вполне уверенно могут говорить, что данная планета с твёрдой поверхностью. А как выясняется, уже один этот вопрос может оказаться головоломкой для астрономов, потому что две другие планеты представляют собой нечто совершенно невиданное.

Дело в том, что один из самых верных способов найти планету возле какой-то звезды, – это заметить, как она проходит по её диску, то есть так называемым транзитным методом. И в тот момент, когда планета идёт перед своей звездой транзитом, можно не только зафиксировать сам факт её существования, но и определить основные свойства. По тому, насколько из-за этой планеты временно тускнеет звезда, можно понять её размер. По интенсивности вращения звезды вокруг общего с планетой центра масс можно судить о массе планеты. Далее масса сопоставляется с размером, и таким образом создаётся представление о плотности небесного тела. А плотность позволяет предполагать, из чего, собственно, состоит планета.

И учёные привыкли видеть в космосе две основные разновидности планет: газовые и каменистые. Газовые, как правило, очень большие, каменистые сравнительно маленькие. А теперь посмотрим, что известно про загадочные Kepler-138c и Kepler-138d. Размер: примерно в полтора раза больше Земли. Масса: вдвое больше Земли, а именно 2,3 и 2,1 массы нашей планеты соответственно. И из этого плотность у обоих миров получается около 3,6 грамма на кубический сантиметр. Для сравнения, у Земли – 5,5 грамма на кубический сантиметр, у Юпитера – 1,33 грамма, у Сатурна – и вовсе 0,69 грамма (он легче воды, между прочим). У Марса – 3,93 грамма, но он значительно меньше Земли.

То есть две планеты системы Кеплер-138 выглядят как явно не газовые и явно не каменные. А какие же тогда? У учёных есть только одна версия: они водные. Плотность воды – примерно 1 грамм на кубический сантиметр. Значит, эти миры состоят из воды не полностью, но больше чем наполовину. У них внутри должны быть твёрдые, каменно-металлические ядра, окружённые сплошным глобальным океаном глубиной эдак в две тысячи километров. На Земле, к слову, средняя глубина океанов – 3,7 километра.

В принципе, целиком покрытые водой небесные тела хорошо известны даже у нас, в Солнечной системе: взять, например, спутник Юпитера Европу или спутник Сатурна Энцелад. Но только между ними и планетами у Кеплер-138 есть одна удивительная разница: Европа и Энцелад покрыты толстой, многокилометровой ледяной коркой, а уже под ней, по всем данным, скрывается глобальный океан. А в данном случае на двух далёких планетах, по данным измерений, вся вода находится в жидком состоянии. Более того, над поверхностью подозревают густую, насыщенную водяным паром атмосферу.

Такие планеты-океаны могут существовать только в одном случае: если они находятся на самом удачном расстоянии от звезды – не слишком близко (тогда океаны испарятся) и не слишком далеко (замёрзнут). Это называется зоной обитаемости, то есть зоной, в которой на планете может существовать понятная, известная нам жизнь. Надо сказать, эти два бездонных океана находятся гораздо ближе к своему светилу, чем Меркурий – к Солнцу, но само светило, как уже упомянуто, маленькое и тусклое. Так что водные миры расположились, судя по всему, максимально комфортно.