Солнце могло поглотить суперземлю массой около 5,6 Земли в начале своей истории

Солнце могло поглотить крупную каменистую планету в первые десятки миллионов лет существования Солнечной системы. Новая модель лучше всего согласуется с современными данными о внутреннем строении Солнца, если в молодости в него попала суперземля массой около 5,6 массы Земли. Другие наиболее успешные варианты модели дают диапазон примерно от 5 до 10 масс Земли. Само событие напрямую не наблюдалось, однако его химические и структурные следы теоретически могли сохраниться внутри Солнца до наших дней.

Исследование выполнил астрофизик Мутлу Йылдыз из Эгейского университета в Турции. Он использовал программу звёздной эволюции MESA и сравнивал различные модели развития молодого Солнца с данными гелиосейсмологии — метода, который позволяет восстанавливать внутреннее строение звезды по наблюдаемым колебаниям её поверхности.

Стандартные модели эволюции Солнца уже много лет не могут одновременно идеально воспроизвести несколько измеряемых характеристик. В частности, расчётная скорость звука немного отличается от полученной гелиосейсмическими методами в области непосредственно под конвективной зоной. Модели также испытывают трудности с точным воспроизведением глубины этой зоны и химического состава солнечной поверхности.

Йылдыз проверил, может ли часть этих расхождений объясняться крупным событием в молодости Солнца. В моделях звезда сначала получает богатое тяжёлыми элементами вещество, соответствующее поглощению каменистой планеты, а затем — более бедный тяжёлыми элементами газ оставшегося протопланетного диска. Лучшее совпадение с наблюдениями дала модель, где поглощение планеты сочетается с дополнительным турбулентным перемешиванием вещества.

В предпочтительной модели масса исчезнувшего объекта составляет около 5,6 массы Земли. Автор условно назвал предполагаемую планету Dev Dilek. Близкие по качеству модели указывают на более широкий диапазон от примерно 5 до 10 масс Земли — типичные размеры суперземель, широко распространённых возле других звёзд, но отсутствующих среди современных планет Солнечной системы.

После поглощения богатое тяжёлыми элементами вещество должно было проникнуть ниже внешней конвективной зоны Солнца. В расчётах оно создаёт там локальный слой с повышенным содержанием тяжёлых элементов. Это меняет непрозрачность вещества и внутреннее распределение температуры и плотности, а вместе с ними — скорость распространения звуковых волн. Именно в этой области стандартные модели особенно заметно расходятся с гелиосейсмическими данными.

Дополнительным аргументом стала необычно низкая концентрация лития на поверхности Солнца. Первоначальное содержание лития в веществе, из которого образовалась Солнечная система, соответствует значению около 3,3 по принятой в астрономии логарифмической шкале, тогда как сегодня в солнечной фотосфере оно составляет около 1,1. Это означает снижение более чем на два порядка. Модели с поглощением бедного литием вещества способны воспроизвести современное содержание элемента при массе предполагаемой планеты примерно 4,6–5,8 массы Земли.

Автор отдельно проверил, могла ли плотная каменистая суперземля вообще проникнуть достаточно глубоко внутрь молодого Солнца, не разрушившись сразу в его внешних слоях. Для этого учитывались приливное разрушение, изменение структуры планеты под огромным давлением, аэродинамическое сопротивление и испарение вещества.

Расчёт показал, что компактный каменистый объект способен пройти через конвективную оболочку всего за несколько часов. В одном из расчётных вариантов его скорость принималась равной примерно 447 км/с. С ростом внешнего давления планета сжимается, её поперечный размер уменьшается, поэтому сопротивление и скорость разрушения оказываются ниже, чем можно было ожидать. Даже при параметрах, специально выбранных для усиления эрозии, потеря массы оставалась небольшой до достижения основания конвективной зоны.

Это не означает, что суперземля могла пройти через всё Солнце целиком. Расчёт подробно учитывает только классическое аэродинамическое разрушение. Ударные волны, фрагментация, тепловое расширение, гидродинамические неустойчивости и окончательное растворение планетного вещества требуют более сложного моделирования. Автор рассматривает полученный результат как проверку физической возможности доставить несколько земных масс тяжёлых элементов достаточно глубоко внутрь Солнца.

Сценарий может быть связан с ещё одной особенностью Солнечной системы. Суперземли чрезвычайно распространены у других звёзд, тогда как между Землёй и Нептуном по массе в нашей системе нет ни одной планеты. Предыдущие исследования уже показывали, что суперземля могла сформироваться значительно ближе к Солнцу, чем Меркурий, а затем из-за взаимодействия с протопланетным диском постепенно сместиться внутрь и упасть на молодую звезду. Новая работа проверяет уже другой вопрос — могло ли такое событие оставить измеримый след в современном Солнце.

Статистическое сравнение показало, что улучшение согласия с наблюдениями нельзя объяснить только тем, что в модели поглощения используется больше настраиваемых параметров. Контрольные модели с изменённой конвекцией и турбулентным перемешиванием без поглощения планеты также улучшали результат, но хуже воспроизводили совокупность гелиосейсмических и химических данных.

Тем не менее исследование остаётся модельным свидетельством, а не обнаружением исчезнувшей планеты. Для проверки гипотезы потребуется независимо найти предсказанный слой изменённого химического состава или другие характерные следы внутри Солнца с помощью более точных гелиосейсмических наблюдений и новых моделей его эволюции.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.