Открытия новых планет вне Солнечной системы в XXI веке происходят регулярно. Правда на наш голубой шарик вновь открытые планеты похожи мало — некоторые из них представляют Суперземли, а большинство и вовсе является газовыми гигантами. Такая ситуация вызывает у людей вполне законное любопытство относительно максимальных размеров планет.
Все во Вселенной подчиняется законам физики (даже тем законам о которых мы пока что не слышали). И именно эта наука накладывает ограничения по предельным массе и радиусе для планет. Для начала попробуем установить верхнюю границу для планет по массе. Обычно считается, что звезда это такой объект в недрах которого может протекать реакция термоядерного синтеза, за счет которой она и светится. В звездах во время этого процесса водород превращается в гелий.
С большой долей вероятности можно предположить, что самые большие планеты, как и звезды, состоят из водорода и гелия (с определенными небольшими концентрациями других элементов). На эту мысль наводит не только состав планет-гигантов Солнечной системы, но и известные данные по многим экзопланетам. Пока не начался термоядерный синтез, гигантские планеты, вернее смесь газов их составляющая, находятся в состоянии гидростатического равновесия. Получается вес газа экзопланет уравновешивается его желанием разжаться. Чем больше масса газового гиганта, тем сильнее внутри планеты сжимается газ, и тем выше в ее недрах температура.
Однако при достижении некоего предела по температуре, внутри космического тела начинается реакция термоядерного синтеза. Здесь мы можем с полной уверенностью утверждать, что зажглась новая звезда. Рассчитать массу космического объекта при которой внутри него запускается термоядерный синтез не так уж и сложно — это примерно 80 масс Юпитера.
Правда здесь наши рассуждения встречают такую неприятность как коричневые карлики. Назвать эти объекты звездами дело сложное, поскольку в их недрах нет превращения водорода в гелий. Но сам водород имеет 3 различных изотопа. И вот в недрах коричневых карликов достаточно тепла, чтобы протий превращался в дейтерий. Так что недра подобного космического объекта излучают энергию за счет термоядерного синтеза, хотя и в отличном, от привычного для звезд варианта. С другой стороны, самые малые коричневые карлики обладают довольно холодной поверхностью, а в их атмосфере могут существовать облака, так что они в определенной мере напоминают планеты. Минимальная масса для превращения космического объекта в коричневый карлик это 13 масс Юпитера. Все объекты с меньшей массой можно считать гигантскими планетами. Самой массивной из таких планет открытых на данный момент является 1RXS J160929.1-210524 b, чья масса превышает юпитерианскую в 8,5 раза.
Итак, с массой есть четкая граница — не более 13 масс Юпитера.
А что с радиусом?
Чисто теоретически кажется, что чем больше масса планеты, то тем она и крупнее. Однако в мире планет-гигантов не все так просто. Твердые вещества или жидкости сжимаются плохо, но вот с газами ситуация другая. При добавлении массы к газовому гиганту его объем увеличивается совершенно не пропорционально объему добавленного вещества. Примером может послужить отношение масс и объемов самых крупных планет Солнечной системы. Так масса Юпитера более чем в 3 раза больше массы Сатурна, но по объему крупнейшая планета превосходит своего соседа примерно на 20%.
Если проанализировать модель гидростатического равновесия для планет-гигантов, то можно сделать интересный вывод, что планеты массивнее Юпитера имеют радиус меньше юпитерианского. Несколько лет назад Цзинцзин Чен и Дэвид Киппинг опубликовали совместную работу в которой определили как варьируются геометрические размеры планет в зависимости от их массы. Ученые смогли четко доказать, что имеется четкая точка перехода от планет типа Нептуна, когда прибавление массы стремится к увеличению размеров небесного тела, к планетам типа Юпитер, где добавочная масса стремится еще сильнее сжать газ самой планеты.
Согласно расчетам Чена и Киппинга, эта предельная точка перехода составляет примерно половину массы Юпитера, что хорошо согласуется с данными по Сатурну — добавление массы к этой планете привело к тому, что ее плотность меньше аналогичного показателя воды. А еще нахождение этой критической точки означает, что максимальными геометрическими размерами обладают планеты, чья масса находится вблизи этой критической точки.
Расчеты ученых прекрасно согласуются с полученными результатами наблюдений. Самым большим радиусом из известных экзопланет обладает WASP-17b — примерно в 2 раза больше чем у Юпитера. Но вот масса этой экзопланеты составляет примерно 0,49 юпитерианской. Несложные физические расчеты показывают, что средняя плотность этой планеты должна быть примерно в 10 раз меньше, нежели этот показатель воды. Кроме WASP-17b сейчас открыто еще несколько экзопланет со схожими характеристиками, правда все они несколько меньше по радиусу чем этот газовый гигант.