Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Доказательства в пользу этой теории появились осенью 2003 г., когда впервые была обнаружена планета в момент ее прохождения перед звездой — HD 209458 b. Это был горячий юпитер, за которым, как за гигантской кометой, шлейфом тянулась атмосфера. Учитывая, что период обращения планеты составлял всего 3,5 дня, окутывающие планету-гиганта газы улетучивались из-за близости к звезде. В случае потери значительной части своей атмосферы планета могла бы сжаться до размера суперземли. В результате из нее мог бы получиться либо мини-нептун, либо твердое ядро без оболочки. По аналогии с неприкрытыми плотью скелетами существ из мифологической преисподней эти гипотетические миры стали называть хтоническими планетами.

Несмотря на всю свою мрачную притягательность, идея о существовании утративших атмосферу хтонических планет сразу подверглась критике. Атмосферы горячих юпитеров настолько огромны, что времени жизни звезды не хватило бы для образования суперземли даже при таком темпе улетучивания газов из атмосферы, который наблюдался у HD 209458 b. Однако улетучивание было не единственным фактором потери атмосферы.

При перемещении горячего юпитера с окраины планетной системы к центру притяжение звезды усиливается. Это приводит к уменьшению сферы Хилла, то есть зона действия собственной гравитации планеты сужается. Поначалу ничего серьезного не происходит, так как атмосфера планеты сжимается, существенно уменьшаясь в размерах. Но стоит планете подойти вплотную к звезде, ее атмосфера попадает во власть звездной гравитации, под действием которой газ вытягивается из атмосферы планеты. В результате, как и в случае с улетучиванием, может образоваться хтоническая планета, представляющая собой небольшой газовый мир или ядро без оболочки.

В пользу идеи «раздетой» планеты говорит тот факт, что суперземли могут располагаться ближе к звезде, чем горячие юпитеры. Горячие юпитеры утрачивают свои атмосферы на расстоянии 0,1–0,05 а.е. от звезды, то есть при пересечении этой отметки любая планета становится суперземлей. Если это действительно так, то, наблюдая за каменистыми суперземлями, мы получаем уникальную возможность заглянуть внутрь газового гиганта.

Но есть одна проблема: мы знаем очень мало планет размером меньше горячего юпитера и больше горячей суперземли. Если горячие юпитеры обречены стать суперземлями, в процессе потери атмосферы их размер должен попадать в диапазон обычных для этих двух типов планет значений. И мы должны видеть такие планеты. Однако почти все наблюдаемые нами планеты, обращающиеся вблизи своих звезд, относятся либо к горячим юпитерам, либо к суперземлям — начальной и конечной границам в теории хтонических планет. Горячих планет размером больше Нептуна и меньше Юпитера просто нет. Вряд ли мы просто проглядели их, хотя полностью исключать такую возможность нельзя. Но если гипотеза о суперземлях как «расплескавшихся» горячих юпитерах неверна, чем ее можно было бы заменить?

Первая альтернативная версия подкупает своей простотой: а что, если формирование суперземель происходило там же, где они находятся сейчас? Если бы удалось доказать, что миры такого типа рождались непосредственно в первичном протопланетном диске, это объяснило бы, почему их так много. Ранее мы исключили возможность формирования массивных горячих юпитеров в условиях отсутствия достаточного количества материала из твердых пород. Распространяется ли этот вывод на куда менее массивные суперземли?

Ближайшая к центру Солнечной системы планета — Меркурий. Его масса составляет всего лишь 5,5% массы Земли, а расстояние от Солнца — солидные 0,4 а.е., то есть он в три раза дальше от звезды, чем большинство горячих юпитеров и суперземель.

На первый взгляд, ничего необычного в приведенном описании нет. Предел роста планеты определяется объемом доступного вещества в протопланетном диске. Он, в свою очередь, зависит от количества пыли и планетезималей вокруг планеты, а также радиуса области ее гравитационного влияния (сферы Хилла). Сила притяжения вблизи Солнца колоссальна, а значит, под контролем гравитации планеты остается совсем небольшой кусочек пространства с ограниченным количеством нового материала, который может подпитывать рост. Поэтому планеты вблизи звезд должны быть маленькими.

Но что, если наша Солнечная система с момента своего рождения была отклонением от нормы? Может быть, ситуация, когда область формирования суперземель изобилует пылью, является обычной — пусть даже в протопланетном диске рядом с нашим Солнцем и было мало вещества? Если это так, то даже при маленьком радиусе сферы Хилла вокруг планеты будет предостаточно твердых тел.

В первой главе мы представили себе, как мог выглядеть протопланетный диск в нашей планетной системе: чтобы воссоздать первоначальное пылевое состояние, мы взяли за основу текущее положение планет и разложили их на составляющие в пространстве вокруг орбит. В результате у нас получилась протосолнечная туманность минимальной массы. А что получится, если мы проделаем то же самое с планетными системами, в которых есть суперземли?

Если мысленно раскрошить суперземли, мы получим протопланетный диск и увидим, как в нем должна была распределяться пыль, чтобы образовалось такое скопление планет. К сожалению, представляя наполненный веществом планетообразующий диск, мы сталкиваемся с проблемой. Из-за высокой концентрации пыли, находящейся во взвешенном состоянии в плотном газе, масса внутреннего диска оказывается очень большой. В этом случае должен сработать тот же самый механизм, посредством которого, согласно описанной ранее гипотезе, происходило формирование газовых планет в удаленной от центра системы части диска: внутренний диск должен рассеяться под воздействием собственной избыточной гравитации. Если бы все происходило именно так, то новые планеты походили бы на газовые гиганты и не имели ничего общего с суперземлями. Кроме того, при попытке разложить планетные системы, в состав которых входят суперземли, на мельчайшие частицы мы получаем протопланетные диски очень странной формы. Строение многих из них оказывается настолько необычным, что приходится исключить саму возможность формирования таких дисков вокруг звезды — в противном случае пришлось бы оперировать причудливыми аномалиями вроде постепенного нарастания температуры по мере удаления от звезды.

Таким образом, у нас нет универсальной модели протопланетного диска, в которой бы нашлось место суперземлям. Более вероятным представляется сценарий, в котором необходимая для формирования этих планет масса появляется после образования диска.