Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Из-за взаимодействия с протопланетным диском планеты меняют свое положение.

Интересно, что своей гравитацией достаточно массивная планета «расталкивает» газ на своей орбите, формируя в итоге заметную щель в диске. Это происходит следующим образом: частицы на более низкой (чем планета) околозвездной орбите имеют бóльшую (чем планета) скорость и при взаимодействии с планетой отдают ей часть энергии и тормозятся, опускаясь на еще более низкую околозвездную орбиту и тем самым еще больше удаляясь от планеты. С частицами на более высоких околозвездных орбитах происходит аналогичный процесс, но планета, которая двигается быстрее, теперь разгоняет частицу (передает ей энергию), в результате чего частица переходит на более высокую орбиту и тоже удаляется от планеты. Таким образом планета пытается сформировать вокруг себя пустое пространство, хотя притекающий сверху и снизу (по толщине диска) газ мешает добиться этого в полной мере.

По мере роста массы планеты щель становится все шире, пока наконец ее ширина не достигает толщины диска. Обычно это происходит при массе планеты порядка нескольких нептунианских. Теперь вещество не может притекать сверху и снизу, и на орбите планеты в диске образуется видимая щель. Такие образования действительно наблюдаются в протопланетных дисках (они недавно были обнаружены при наблюдении с помощью системы телескопов ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Атакамская миллиметровая/субмиллиметровая антенная решетка, см. раздел 13.4 «Радиотелескопы»). Это приводит к совершенно новому, второму, режиму миграции.

Миграция планет необходима для объяснения существования горячих юпитеров.

Миграция второго типа, которая начинается после возникновения щели в диске на орбите планеты, происходит медленнее и практически не зависит от планетной массы – все в основном определяется свойствами диска. При этом может продолжаться рост планетной массы, поскольку она не полностью отделена щелью от двух краев диска: между ними и планетой переброшен «мост», по которому продолжает течь вещество.

После исчезновения газового диска планеты и планетезимали продолжают взаимодействовать друг с другом.

Существуют и другие режимы миграции (равно как и модификации уже перечисленных). Эта область еще недостаточно изучена и с точки зрения теории, и с точки зрения наблюдательных данных. Как бы то ни было, в результате миграции в планетном диске на момент его рассеяния (т. е. примерно спустя 10 млн лет после рождения звезды) положения планет могут существенно отличаться от первоначальных. Кроме того, значительная миграция самых массивных планет ближе к звезде естественным образом приводит к изменениям орбит всех более легких тел, встречающихся им на пути, переводя их на более низкие орбиты или выбрасывая из внутренних частей системы. Анализ архитектуры сотен известных планетных систем показывает, что в среднем ближе к звезде все равно оказываются легкие планеты, даже если происходила существенная миграция самых массивных из них. По-видимому, это связано и с особенностями миграции, и с распределением планет разных масс по первоначальным положениям орбит.

После рассеяния газового диска планеты и планетезимали продолжают взаимодействовать друг с другом. На этой стадии, кроме существенного изменения орбит легких тел за счет взаимодействия с наиболее массивными, также может происходить и миграция крупных планет (как это имело место, например, в Солнечной системе). Таким образом, параметры орбит могут меняться еще на протяжении сотен миллионов лет, пока остаются доступные для взаимодействия легкие тела (астероиды, кометные ядра, легкие планетезимали и т. д.). Но в целом период формирования завершается вскоре после исчезновения диска.

Общая схема образования планетных систем такова: сжатие газопылевого облака, формирование звезды и диска вокруг нее, рост и взаимодействие планетезималей, формирование планет в диске и их миграция.

Какое-то время в системе еще наблюдается так называемый остаточный диск. Он пополняется пылью в результате столкновений остающихся небольших тел, в основном на больших расстояниях от звезды (что в Солнечной системе примерно соответствует будущему поясу Койпера до эпохи поздней тяжелой бомбардировки). Со временем интенсивность столкновений падает, и остаточный диск также рассеивается.

В дальнейшем орбиты планет могут претерпевать изменения за счет взаимодействия друг с другом или с другими звездами, если система кратная. Важным является эффект Лидова – Козаи, приводящий к колебательному изменению эксцентриситетов и наклонений орбит под влиянием внешних массивных тел в той же системе.

Эффекты Лидова – Козаи и Ярковского играют важную роль в эволюции орбит на протяжении существования планетной системы.

На небольшие тела влияние оказывает излучение звезды посредством эффекта Ярковского. Он был предсказан в 1900 г. инженером Иваном Ярковским. Эффект состоит в неизотропном испускании излучения неравномерно нагретым вращающимся телом. Он является существенным для астероидов и, накапливаясь, за время существования системы может существенно менять их орбиты, как повышая, так и понижая их. Астероид как бы приобретает слабый «фотонный двигатель», который может разгонять или тормозить его в зависимости от направления собственного вращения относительно орбитального движения.

Планеты, расположенные очень близко от звезды, могут взаимодействовать с ней за счет приливных сил. Если орбитальный период планеты короче периода вращения звезды, приливные силы тормозят движение планеты по орбите, при этом планета переходит на более низкую орбиту и может со временем упасть на звезду. В случае газовых планет могут также происходить испарение внешних оболочек и аккреция вещества планеты на звезду.

Орбиты планет изменяются на финальных стадиях эволюции звезды.

Наконец, планеты могут снова начать менять свои орбиты на финальных стадиях существования звезды, когда она начинает претерпевать существенные эволюционные изменения, превращаясь в гигант и сбрасывая внешние слои. Это приводит к уменьшению звездной массы. Гравитационное поле звезды ослабевает, в результате планеты и другие тела переходят на более высокие орбиты, а при значительной потере массы звездой система может полностью разрушиться.

Разрушение планетной системы неизбежно приводит к появлению планет-бродяг (rogue planets). Кроме того, вероятно, что массивные планеты могут формироваться «по звездному механизму». Сейчас известно несколько массивных одиночных планет (в основном они обнаружены при поисках коричневых карликов). Кроме того, известны планеты в паре с коричневыми карликами (например, система OGLE-2016-BLG-1195Lb, обнаруженная с помощью микролинзирования). Наконец, известна интереснейшая система 2MASS J1119−1137, состоящая из двух массивных планет с массами 3–5 масс Юпитера. Эту пару удалось изучить по прямым изображениям, полученным с помощью телескопа обсерватории Кека (W. M. Keck Observatory) (см. раздел 13.3 «Современные оптические телескопы и проекты ближайшего будущего»).