З роками наша здатність виявляти, підтверджувати та характеризувати екзопланети та їхні атмосфери покращилася, що дозволило дослідникам почати визначати склад та структуру їхніх внутрішніх структур. Хоча більшість наук про екзопланети зосереджена на власне екзопланетних атмосферних середовищах, маса та радіус об'єкта можуть розповісти нам про його щільність, а отже, і про його внутрішні процеси. Внутрішні процеси планети частково відповідають за її атмосферу, і тому вони також є визначальним фактором здатності планети підтримувати життя.

Оскільки щороку зі зростаючою тенденцією виявляється понад 5600 різних, їх стає все більше, що робить групування за типом внутрішньої структури складним. Однак NASA загалом класифікувала їх на основі їхньої внутрішньої та зовнішньої структури як газові гіганти, суперземлі, нептуноподібні або земні. У кожній з цих груп є кілька підвидів класифікацій, зокрема «гарячі Юпітери», «міні-Нептуни» тощо. До цього ж висувається багато теоретичних гіпотез щодо внутрішньої структури екзопланет. Одними з найвідоміших є гіпотеза «хтонічних планет», «водних світів», планет з крихітними ядрами або масивними мантіями тощо. Однак стандартизованої класифікації внутрішньої структури екзопланет не існує.

Методи Оскільки люди не можуть подорожувати до екзопланет і проводити прямі вимірювання, вчені змушені використовувати інші методи для визначення їхнього внутрішнього складу. Вимірювання характеристик, які можна спостерігати, тобто маси та радіуса планети, може дати підказки щодо її внутрішньої структури. Ми можемо зробити висновки про ці характеристики як за допомогою методу транзиту, так і за допомогою методу радіальної швидкості. Коли планета проходить перед своєю зорею, радіус планети можна визначити за зменшенням світла від зорі. Аналогічно, оскільки тяжіння планети до зорі змушує зорю обертатися навколо барицентру, який не знаходиться в центрі її мас, ми можемо використовувати результуючі доплерівські зсуви зоряного світла, щоб визначити масу планети відносно її батьківської зорі. У межах Сонячної системи кам'янисті планети мають мантію та кору, які в свою чергу містять силікати, оксиди та силікатні розплави, а також багате на залізо ядро. Основні елементи, з яких складаються кам'янисті планети, а саме магній, залізо, кисень, вуглець та кремній, вважаються універсальними в надрах планет цього типу. Кількість цих елементів, а також процеси нагрівання та охолодження, які вони зазнають під час формування, відповідають за кінцевий склад планети. Вимірюючи масу та радіус екзопланет, можна розрахувати також і середню густину планети. Щільні планети повинні мати вищу частку важчих елементів, таких як залізо, тоді як легші планети повинні мати вищу концентрацію легших елементів, таких як водень. Однак середня густина не розподіляє, як різні компоненти розташовані всередині планети; щільна планета може мати свій щільний матеріал, упакований у невеликому ядрі або розподілений по всій мантії.

Окрім аналізу співвідношень маси та радіуса планет, дослідники також звертають увагу на склад зорі-господаря планети, висуваючи гіпотезу про склад внутрішньої структури планети. Це пояснюється тим, що планети та їхні зорі-господарі походять з однієї системи, тому вони використовують той самий матеріал з акреційного диска. Хоча планети не матимуть точно такого ж складу, як їхня зоря-господар, вони матимуть схожі частки певних елементів. Наприклад, у бідних на метали ділянках галактики, що містять зорі із маленьким вмістом металів, дослідники припускають, що планети також мають менший вміст металів порівняно з системами та зорями, багатшими на метали. Вміст заліза в системі особливо важливий, оскільки воно є поширеним компонентом у внутрішніх структурах планет, поряд з такими елементами, як нікель та металеві сплави. Залізо — це відносно важкий елемент, який, як вважається, існує повсюдно на кам'янистих планетах. Це залізо може існувати в мантії в силікатах та оксидах, якщо воно окислюється, але в іншому випадку утворюватиме ядро планети земного типу як метал. Отже, наявність кисню, а також подібність маси та радіуса з відомими кам'янистими планетами, може допомогти вказати на можливість існування мантії з окисленим залізом.

Новіший метод аналізу внутрішньої структури екзопланет полягає у розгляді лише їх мас, радіусів та складів, а не всієї планети, як, наприклад, за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба. У середині 2024 року телескоп Вебба вперше зміг виміряти внутрішню структуру екзопланети, що дало нове розуміння WASP-107b завдяки новому вимірюванню рівня метану, яке виявилося в 1000 разів нижчим за очікуване.

Можлива внутрішня будова Сонячна система має різноманітні планетарні інтер'єри; Земля має внутрішнє та зовнішнє ядро (що сягає приблизно 55 % радіуса Землі), мантію та кору; Венера, як вважається, також має подібну структуру. Меркурій має набагато більший радіус ядра у 80 % радіуса планети, а також мантію, яка складається із набагато більшої кількості сірки та є набагато менш багатою на залізо порівняно з іншими планетами земної групи. Марс в свою чергу має відносно менше ядро та мантію, що містить приблизно вдвічі більшу масову частку заліза порівняно із Землею. Ядра зовнішніх планет Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна набагато менш вивчені, хоча вважається, що ядра Юпітера та Сатурна містять залізо та нікель при температурах та тисках, набагато вищих, ніж ті, що спостерігаються в інтер'єрах внутрішніх, кам'янистих планет. Крім того, у внутрішніх будовах зовнішніх планет набагато більше льоду та летких речовин порівняно з внутрішніми кам'янистими планетами.

Оскільки планети Сонячної системи мають різноманітний набір внутрішніх структур, внутрішні структури екзопланет, ймовірно, демонструють подібну або навіть більшу різноманітність. Наприклад, товщина планетарної кори прямо пропорційна тому, як швидко планета охолонула після свого формування. Швидка швидкість охолодження очікується для меншої планети, планети з малою масою або планети, яка знаходиться далі від своєї зорі. Такі планети матимуть пропорційно товстішу кору, як це спостерігається на Місяці та Марсі.

Однак, існують типи планет, яких немає в Сонячній системі, такі як «гарячі Юпітери» з низькою щільністю, які гарячіші та більші за газових гігантів Сонячної системи. Спостерігачі також виявили багато «суперземель» або «міні-Нептунів», тобто планет з радіусом між Землею та Нептуном, радіус яких у 4 рази більший за земний. Існування типів планет, яких немає в Сонячній системі, свідчить про існування планетарних внутрішніх структур, яких також немає в Сонячній системі. Деякі запропоновані типи внутрішніх структур включають крихітні ядра, масивні мантії та поверхню океану без континентів: або масивне ядро та мантію, або, можливо, можуть бути планети з шаром льоду між мантією та поверхнею, обидва над ядром. Інша запропонована внутрішня структура — хтонічна планета, газовий гігант, подібний до «гарячого Юпітера», у якого були зняті зовнішні шари водню та гелію, залишивши те, що виглядає як кам'яниста планета.

Немає підтверджених прикладів цих запропонованих внутрішніх структур. Однак існують гіпотези щодо потенційних внутрішніх структур деяких екзопланет. Одним із таких прикладів є GJ 1214b, маса якої в 6,55 разів, а радіус — в 2,68 разів більший за земні, але щільність становить лише приблизно одну третину від земної. Щільність GJ 1214b, що становить 1870 кг/ м⁻³, занадто низька, щоб представляти переважно металевий та силікатний склад порід, незважаючи на великий розмір планети.

Для цієї планети було висунуто три різні типи внутрішнього складу. Одна з них полягає в тому, що планета має залізне ядро, мантію, що складається з силікатів, та зовнішній шар води, який підтримує товсту оболонку з водню та гелію.

Інша гіпотеза зберігає припущення про залізне ядро та силікатну мантію, проте виключає зовнішній шар води та вимагає товстішої воднево-гелієвої оболонки.

Третя гіпотеза припускає, що планета переважно складається з води та має велику атмосферу, що складається переважно з пари. У 2020 році TOI-849b стала кандидатом на звання хтонічної планети, оскільки має малий радіус, але непропорційно велику масу.

Зі збільшенням кількості відкриттів екзопланет розширюється і діапазон відповідних типів планет, окрім тих, що не спостерігаються в Сонячній системі. Деякі екзопланети можуть нагадувати Землю за радіусом, але мають значно меншу або набагато більшу щільність. Інші екзопланети можуть нагадувати Землю за щільністю, але мають зовсім інший розмір. Таким чином, важко класифікувати потенційні планетарні інтер'єри на основі їхньої подібності до об'єктів Сонячної системи.

Подальші відкриття екзопланет дозволяють проводити статистичний аналіз типів планет та ідентифікувати окремі планетарні популяції певної маси та радіуса. Це дозволяє розширити визначення таких категорій, як «земні» планети або «газові гіганти», за межі тих, що спостерігаються в Сонячній системі, до діапазону всіх відомих екзопланет.

Придатність для життя

Актуальність циклів планетарного масштабу для придатності для життя спонукає до проведення численних досліджень екзопланетних надр. На Землі поверхневі та підповерхневі процеси, такі як тектоніка плит, конвекція зовнішнього ядра, що живить геодинамо, яке створює наше магнітне поле, та кругообіг речовини між поверхнею та надрами, сприяють формуванню клімату та складу атмосфери Землі, а отже, і її придатності для життя. Через це розуміння планетарних надр стає все більш популярним, оскільки зростає і вивчення планетарної придатності для життя. Земля є єдиною відомою планетою, на якій є життя, тому в пошуках життя на екзопланетах багато дослідників зосереджуються на пошуку умов саме ранньої або сучасної Землі, зокрема наявності атмосферного кисню. Аналогічно, в пошуках придатних для життя планет особливий інтерес представляють ті, що подібні до Землі (маса, радіус, внутрішня структура).

Крім того, розмір і маса планети впливають на те, чи зможе вона зберегти свою атмосферу. Планети меншої масивності мають відповідно слабше гравітаційне тяжіння та менш здатні утримувати атмосферу. Життя у такому вигляді, яким ми його знаємо, потребує атмосфери, тому планети, які мають правильний склад для досягнення достатньої планетарної маси, є ключовими у визначенні придатності планети для життя. Наявність магнітного поля також сприяє придатності планети для життя, і були виявлені ознаки можливого екзопланетного магнітного поля. Подальші спостереження за атмосферою, спрямовані на пошук магнітного поля, у поєднанні з розрахунками внутрішнього складу екзопланет можуть дати глибше розуміння внутрішньої структури екзопланети.

Примітки