Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Впрочем, даже если приведенное описание не противоречит идее о том, что планета образуется из находящихся поблизости частиц пыли, оно не объясняет, как они соединяются вместе.

Взвешенные в газе частицы пыли сбить с пути истинного легче, чем ребенка в кондитерском отделе. Это как раз то что нужно для формирования планеты, ведь если бы пыль оставалась на строго круговых орбитах, столкновения происходили бы редко, а до образования крупных объектов дело никогда бы не доходило. Нам повезло, что у пыли есть авантюрные наклонности, которые заставляют частицы отклоняться от круговых орбит, переходя дорогу другим частицам.

Впервые этот тип аномального движения наблюдал в 1827 г. ботаник по имени Роберт Броун, изучавший поведение частиц пыльцы при нахождении во взвешенном состоянии в воде. Броун заметил, что частицы движутся беспорядочно, но ответить на вопрос о причине этого движения так и не смог. И только в начале следующего столетия проблему распутал Альберт Эйнштейн, который понял, что о пыльцу ударялись молекулы воды. Эйнштейн бы мог получить Нобелевскую премию за это открытие, поскольку оно подтверждало существование атомов и молекул, но он уже получил ее пятью годами ранее за совершенно другое исследование. Вместо него в 1926 г. награду получил французский физик Жан Батист Перрен, который экспериментально подтвердил предложенное Эйнштейном объяснение. Наблюдений Роберта Броуна оказалось недостаточно для какой-нибудь награды, но само явление было названо в честь него броуновским движением .

В протопланетном диске роль молекул воды, которые хаотично движутся вокруг маленьких частиц пыли, выполняет газ. Помимо броуновского движения на частицы пыли также воздействует собственное некруговое движение газа, вызываемое пронизывающим диск магнитным полем. Наконец, небольшие карманы газа чуть большей плотности тоже могут становиться источниками слабого гравитационного притяжения для легко поддающихся его воздействию крошечных частичек.

О силе, заставляющей притягиваться две сталкивающиеся частицы в самом начале процесса образования планеты, мы знаем несколько больше. Размер частиц пыли, сконденсировавшихся в протопланетном диске, равен одной десятой размера песчинки, то есть он измеряется в микрометрах (тысячных долях миллиметра). При движении на скоростях ниже 1 м/с эти частицы могут удерживаться вместе электрическим зарядом их атомов, образуя неплотную массу.

Песчинка пыли состоит из молекул, например льда или силиката, которые нейтральны и не имеют ни общего положительного, ни общего отрицательного электрического заряда. Каждая из этих молекул состоит из двух или более атомов, в центре которых находится положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Однако электроны не статичны. Напротив, они перемещаются по молекуле, в результате чего там, где они собираются на короткое время, появляется небольшой отрицательный заряд, тогда как противоположная сторона молекулы становится положительно заряженной. Отрицательно заряженный конец молекулы может притягивать положительно заряженный конец соседней молекулы, удерживая их вместе. Эту силу, обусловленную небольшой асимметрией электрических зарядов, называют вандерваальсовой силой в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Сама по себе эта сила достаточно слаба и потому эффективна только при очень легких столкновения частиц пыли. В остальных случаях мы сталкиваемся (метафорически и буквально) с проблемами.

В масштабах микрометров первоначальное беспорядочное движение частиц пыли происходит настолько медленно, что вандерваальсовых сил оказывается достаточно для того, чтобы удерживать сталкивающиеся частицы вместе. Проблема в том, что частицы пыли увеличиваются в размерах, а значит, увеличивается и скорость столкновения. Как только микрометровые частички становятся миллиметровыми гигантами, вандерваальсовы силы уже не могут их удерживать. В результате при столкновении частицы отскакивают.

Когда две частицы пыли отскакивают друг от друга, они не увеличиваются. Поэтому при переходе от микрометрового масштаба к миллиметровому рост частиц прекращается. В итоге образуется множество миллиметровых частиц.

То есть, как это ни печально, процесс формирования планеты заходит в тупик, выйти из которого можно только в том случае, если по какой-то случайности нескольким частицам пыли удастся перейти в сантиметровую лигу. В ходе лабораторных экспериментов было показано, что при столкновении двух частиц с достаточной большой разницей в размерах меньшая частица отскакивает, но при этом теряет половину своей массы. Представьте, что вы бросаете в своего брата комок желе. Разумеется, значительная его часть окажется на полу. Но и на лице брата останется немало. Поэтому, когда сантиметровые частицы оказываются в облаке миллиметровой пыли, они начинают набирать массу за счет столкновений с частицами пыли.

Несмотря на очевидный потенциал, предложенное объяснение не дает ответа на вопрос о том, как появляются сантиметровые частицы пыли. Фактически существует два пути преодоления проблемы отскакивания. Первый — слепая удача. Да, средняя скорость столкновений между частицами пыли возрастает с увеличением их размера, но при этом все равно остается определенный диапазон значений, в рамках которого некоторые столкновения могут проходить на достаточно низких скоростях, обеспечивающих формирование сантиметровых частиц пыли за счет действия вандерваальсовых сил. Согласно второму подходу, отскакивание перестает быть проблемой, когда мы имеем дело с чем-то, имеющим рыхлую структуру.

Представьте, что вы бросаете в стену резиновый мяч. Если вы хорошо прицелитесь, мяч отскочит от стены прямо вам в нос. Теперь представьте, что вместо стены — гигантский комок пыли и пуха, который обычно незаметно скапливается под диваном. Брошенный вами мяч скорее пролетит через такой комок пыли, чем отскочит от него. Если ком достаточно большой, мяч просто-напросто застрянет в его пушистых недрах и станет частью его структуры.

Частицы протопланетной пыли, конечно, вряд ли состоят из смеси пыли, кошачьей шерсти и пуха, но в условиях низкой гравитации в космосе они могут иметь рыхлую структуру. В частности, это относится к частицам, состоящим из более легких элементов, таких как лед. Столкновения между такими рыхлыми частицами трудно воспроизвести в лабораторных условиях, поскольку они будут сжиматься под действием силы гравитации Земли. Чтобы преодолеть данное ограничение, можно попробовать воспроизвести столкновение в виртуальной среде с помощью компьютерных симуляций. Результаты такого моделирования реальности показывают, что на скоростях свыше 60 км/с микрометровые частицы льда, вместо того чтобы отскакивать, прилипают друг к другу. Если бы частицы сохраняли рыхлую структуру, но при этом состояли из силикатов (что более вероятно для той части Солнечной системы, где формировалась Земля), то они бы удерживались вместе на скоростях до 6 км/с.