Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

В 2009 г. японский телескоп «Субару» с зеркалом диаметром 8,2 м начал прочесывать небо в поисках удаленных планет. Исследование, в рамках которого проводилась эта работа, получило название «Стратегическое изучение экзопланет и дисков с помощью “Субару”» (Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru, сокращенно — SEEDS). Планировалось, что телескоп будет делать снимки дисков вокруг звезд и всех газовых гигантов, которые попадут в его поле зрения. К 2016 г. SEEDS обнаружил четыре планеты, которые были значительно больше Юпитера и обращались по орбитам на расстоянии 29–55 а.е. от своей звезды. Пусть этих планет было немного, но игнорировать их существование было невозможно.

Столкнувшись с объектами, не укладывающимися в существующую модель аккреции на ядро, ученые начали поиски альтернативной теории, которая могла бы объяснить работу фабрики по производству газовых гигантов. Было предложено взять за основу модель образования звезд и экстраполировать ее на газовые гиганты.

На изображениях дисковых галактик, похожих на наш Млечный Путь, видны ослепительные множества спиральных рукавов. Обычно спирали — это волны плотности, которые относятся к тому же типу, что и звуковые волны. Спиральные рукава могут появляться, когда собственная гравитация газа достаточно сильна, чтобы разорвать однородную структуру газового диска.

Этот эффект называют неустойчивостью диска — немного пафосно, учитывая, что термин означает процесс разрушения диска гравитацией. В создаваемом им спиральном рукаве собираются облака молекулярного газа, образуя плотные участки, в которых рождаются звезды.

Альтернативный вариант объяснения процесса формирования газовых гигантов исходит из того, что нечто похожее может происходить и в протопланетном диске. В окружающем звезду газовом диске образуются спиральные рукава, газ сжимается и падает непосредственно в центр планеты-гиганта. В отличие от куда меньших плотностей, которыми обычно характеризуется звездообразующее молекулярное облако, плотности в протопланетном диске потенциально могут подниматься до уровня, достаточного для формирования небольшого объекта размером с планету.

Этой идеей трудно не соблазниться, ведь она позволяет аккуратно обойти все другие проблемы, с которыми мы пытались разобраться до сих пор. Раз не нужно начинать со строительства твердого ядра, мы можем пренебречь механизмами слипания планетезималей и сопротивлением газа. Тогда для образования газового гиганта достаточно всего лишь тысячи лет, что намного меньше аналогичного значения в модели аккреции на диск и заведомо меньше продолжительности жизни газового протопланетного диска. Более того, в этом случае становится возможным создание планет с массой, превышающей массу Юпитера в 1–10 раз, то есть таких, как Фомальгаут b и другие экзопланетные мегамиры.

Проблема (а проблемы есть всегда!) в том, что возможность появления неустойчивостей в протопланетном диске аналогично тому, как это происходит в нашей Галактике, вызывает сомнения. Известны два основных фактора, от которых зависит, сможет ли диск стать неустойчивым, — масса и температура. Если диск слишком легкий, его гравитации недостаточно, чтобы нарушить равномерное распределение и сформировать спираль. И наоборот: если температура слишком высокая, беспорядочное движение газа может быстро сгладить волну сжатия до того, как она сформирует планету. Вопрос о том, могут ли сформированные таким образом планеты выживать, также остается открытым. Образующиеся рядом планеты могут объединяться в более крупные объекты либо разбить друг друга на части.

Модели протопланетного диска, окружающего звезду, аналогичную нашему Солнцу, показывают, что на расстоянии менее 40 а.е. вероятность возникновения неустойчивости крайне мала. Однако на ранних этапах существования диска, когда его масса больше, он может быть фрагментирован на расстоянии свыше 100 а.е., что полностью соответствует расположению Фомальгаута b. Все обнаруженные SEEDS планеты находятся на границе между областью аккреции на ядро и областью, где в диске может появляться неустойчивость. Поэтому можно считать, что механизм их формирования понятен. Однако, какой метод нам следует применить, до сих пор непонятно.

Образовавшаяся в результате неустойчивости диска газовая планета первоначально не имеет твердого ядра. Она может получить его, захватывая планетезимали, которые медленно падают в ее центр. Хотя наши газовые гиганты находятся слишком близко к Солнцу, чтобы неустойчивость диска могла быть причиной их формирования, нам известно о планете размером с Юпитер, образовавшейся посредством этого механизма. Масса ее ядра составляет приблизительно 6 масс Земли, то есть укладывается в предполагаемый диапазон значений массы твердого ядра Юпитера.

Какая же из двух теорий верна — теория аккреции на ядро или теория неустойчивости диска? А может быть, они обе соответствуют реальности? Единственный веский аргумент, мешающий признать, что оба механизма имели место, лежит в плоскости эстетики: два разных метода формирования газовых гигантов — это просто некрасиво. Однако ни одна из этих двух моделей по отдельности не способна объяснить происхождение и газовых гигантов в нашей Солнечной системе, и газовых гигантов вокруг других звезд. В качестве компромисса можно рассматривать их как взаимодополняющие: в результате неустойчивости диска газ сжимается в спиральные волны, которые при определенных условиях сжимаются в планеты. Если коллапс не происходит, неустойчивость диска продолжает способствовать аккреции на ядро, тогда как аккумуляция газа обеспечивает увеличение скорости образования атмосферы вокруг твердого ядра планеты.

У нас есть планеты, в которых можно узнать миры, существующие в Солнечной системе. Четыре из них сформировались быстрее остальных, сгребая планетезимали и небольшие зародыши планет, попадавшие в их непрерывно расширяющиеся гравитационные поля. Набрав массу, каменистые и ледяные ядра оказались в объятьях громадных атмосфер, искупавших их в газе. Вблизи от Солнца, где гравитационное влияние планет было не столь значительным из-за сильного притяжения звезды, процесс формирования протекал более спокойно. Затем, когда гравитация газовых гигантов заставила зародыши планет изменить свои орбиты, начался последний раунд столкновений. Результатом стало образование четырех планет земной группы, окруженных тонкими атмосферами. Однако ни на одной из этих планет еще не было условий для зарождения жизни.

«Боже мой! Посмотрите на это! Это же Земля. Вот это да! Как она прекрасна!»