Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Существующих данных о планетах, обращающихся вблизи своих звезд, недостаточно, чтобы определить, скольким из них удалось избежать приливного захвата. Но если этот механизм эффективен, он может помочь планете с атмосферой, похожей на земную, не превратиться в «глазное яблоко» даже в зоне умеренных температур в системе с красным карликом.

Под палящими лучами двух солнц на Татуине, родной планете Люка Скайуокера, сформировался пустынный, но пригодный для жизни ландшафт. Но может ли вода в жидкой форме существовать на планете, обращающейся по циркумбинарной орбите P-типа вокруг двух звезд?

В плоскости орбиты планеты зона умеренных температур вокруг одинокой звезды похожа на пончик. Количество получаемого планетой звездного излучения зависит от расстояния до звезды. Таким образом, зона умеренных температур представляет собой симметричное кольцо, тепла в котором достаточно для существования на землеподобной планете воды в жидкой форме. Если в эту систему добавить еще одну звезду, зона умеренных температур принимает сложную форму. Теперь планета подвергается излучению из двух различных источников, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. Зона умеренных температур трансформируется в причудливую асимметричную структуру, которая со временем меняет свою форму. Даже если бы сама планета оставалась на месте, по мере перемещения звезд зона умеренных температур сдвигалась бы в сторону от нее подобно ковру, который кто-то вытягивает из-под ваших ног.

Степень причудливости формы зоны умеренных температур определяется характеристиками звезд. Если их массы сильно различаются, основная часть достигающего планеты излучения будет исходить от более крупной звезды. При этом форма зоны умеренных температур будет также напоминать пончик, но с небольшим выступом со стороны звезды меньшего размера. При сопоставимых размерах двух звезд количество излучения, получаемого от каждой из них, будет в значительной степени зависеть от их положения относительно планеты. В случае с солнцеподобными и более холодными звездами зона умеренных температур находится достаточно близко к ним, принимая форму вращающего арахисового ореха. На планету в этой области будут воздействовать две разные силы притяжения. Из-за гравитации звездной пары орбита планеты может стать нестабильной. При движении по нестабильной орбите под влиянием двух звезд планета в конце концов может оказаться выброшенной в межзвездное пространство или закончить свои дни столкновением с компонентами двойной звезды. Оба сценария не сулят морям на планете ничего хорошего.

Невозможность обеспечить стабильность орбиты в пределах зоны умеренных температур сложной формы должна означать, что потенциально пригодные для жизни миры вроде Татуина встречаются нечасто. Как ни странно, все как раз наоборот.

В 2015 г. было открыто 10 планет на циркумбинарных орбитах. Восемь из них обращаются вокруг своих двойных звезд по траекториям, проходящим в непосредственной близи от порога стабильности. При переходе на любую более короткую орбиту за этим порогом планета либо окажется выброшена за пределы системы, либо будет обречена на гибель в звездном пекле. Четкого ответа на вопрос о том, почему 80% открытых планет обращаются вокруг своих звезд вблизи порога стабильности, у нас нет. Возможно, все дело в миграции к центру системы, вызванной взаимодействием с протопланетным диском: все планеты, пересекшие границу стабильных орбит, либо покинули систему, либо погибли, тогда как миры, миграция которых прекратилась в границах безопасной зоны, выжили, и как раз их-то мы сейчас и видим. Согласно другой гипотезе, чем ближе планета к звезде, тем легче ее обнаружить, и те, что видны нам, — это просто популяция планет на самых коротких орбитах из всех возможных. Независимо от причины многочисленности таких находок, мы можем сделать один важный вывод: поскольку граница стабильных орбит часто пролегает вблизи зоны умеренных температур, вероятность обнаружения планет, обращающихся вокруг двойной звезды, даже в границах области сложной формы выше, чем можно было бы ожидать.

В главе 9 мы уже упоминали первую найденную транзитным методом планету, обращающуюся вокруг двойной звезды. Это Кеплер-16 b, мир размером с Сатурн с периодом обращения 229 суток. Масса и размеры двойной звезды, вокруг которой эта планета обращается, меньше нашего Солнца: масса одной звезды-компонента равна 69% массы Солнца, масса второй — 20%. В результате границы и форма зоны умеренных температур определяются влиянием более крупной звезды: она походит на нарисованный неумелой рукой круг с вращающимся выступом с той стороны, которая обращена к меньшему компаньону.

Несмотря на близкую к симметричной форму, наличие выступа в зоне умеренных температур все-таки несколько меняет ситуацию для планеты. Кеплер-16 b обращается по круговой орбите, пролегающей рядом с внешней границей зоны. Но из-за присутствия меньшей звезды планета в течение года периодически выходит за эту границу и потом возвращается обратно. В результате средняя температура на планете при движении по орбите 4–5 раз вырастает и падает приблизительно на 15 °C [38] Речь идет о температуре верхнего слоя атмосферы, которая зависит от тепла, получаемого от звезд. Температуру под ним измерить намного труднее. Кеплер-16 b — газовый мир, поэтому поверхность в привычном понимании у нее отсутствует. . На это можно возразить, что при смене сезонов температура в далеких от экватора областях Земли может колебаться даже в большем диапазоне. Наше лето и зима — следствие наклона оси планеты, приводящего к тому, что в течение года северный и южный ее концы оказываются обращены то к Солнцу, то от него. Однако смена сезонов происходит лишь один раз в год, а средняя температура на всей планете не меняется. На Кеплер-16 b такие смены происходят пять раз в год, а изменение температуры затрагивает всю планету.

В отличие от орбиты Кеплер-16 b, орбита Кеплер-453 b нигде не выходит за пределы зоны умеренных температур. Кеплер-453 b — десятая по счету открытая планета, обращающаяся вокруг двойной звезды. О ее обнаружении было объявлено в 2014 г. Ее радиус на 60% превышает радиус Нептуна. Компоненты системы имеют разную массу: одна звезда похожа на Солнце, а вторая — красный карлик с массой, равной всего 20% солнечной массы. Благодаря заметной разнице в размере и массе зона умеренных температур имеет форму правильного пончика. Заправляет в ней более крупная звезда, поэтому Кеплер-453 b легче перемещаться в ее пределах. Хотя размер самой планеты недвусмысленно указывает на ее газовую природу, у нее может быть спутник с твердой поверхностью. Если такой спутник существует, в его небе будут видны не только две звезды, как на Татуине, но еще и бурлящая атмосфера газового гиганта.