Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

По мере роста зародыша планеты за счет аккреции планетезималей его гравитационное притяжение увеличивается. В результате гидростатическое равновесие на время нарушается, а атмосфера притягивается ближе к планете. Сжимаясь, газ нагревается и снова уравновешивает гравитационное притяжение, вновь достигая стабильного состояния. Вследствие расширения сферы действия гравитационных сил и высвобождения места в результате сжатия газа толща атмосферы увеличивается за счет проникновения в нее нового газа.

Атмосфера, захваченная зародышем планеты с массой, составляющей одну десятую массы Земли (предполагается, что именно такой зародыш находился в то время там, где сейчас располагается Земля), всегда намного меньше массы твердого вещества планеты. Таким образом, газовый верхний слой способствует росту зародыша планеты, но не оказывает решающего влияния на эволюцию планеты. Стоит, однако, отдалиться от Солнца и заглянуть за снеговую линию, как перед нами предстает совершенно другая картина.

В меньшей степени подвергаясь воздействию гравитационного притяжения Солнца, более крупные ядра в пространстве вокруг текущего положения Юпитера способны удерживать атмосферы существенно большего размера — настолько большие, что тепла, выделяемого при проникновении в них планетезималей, недостаточно для изменения массы газа.

Вопрос о том, когда именно это происходит, до сих пор вызывает споры. Принято считать, что полное равновесие может сохраняться до тех пор, пока масса атмосферы не сравняется с массой твердого ядра зародыша планеты. Однако масса может быть и меньшей, если мы учтем частичное испарение в атмосфере проникающих извне планетезималей на их пути к поверхности зародыша планеты, в результате которого испарившийся материал попадает в газ. Более тяжелые элементы, образующие лед и горные породы в составе планетезимали, выступают в роли хладагентов, обеспечивая быстрое снижение температуры газа. Это приводит к замедлению движения газа и нарушению баланса в пользу гравитации.

Как только атмосфера достигает этого критического размера, равновесие между движением газа и гравитационными силами становится невозможным. Более того, совокупная масса зародыша планеты и атмосферы создает гравитационную силу, которая подавляет движение газа. Гидростатическое равновесие нарушается, и атмосфера неуклонно сжимается.

Благодаря уплотнению атмосферы по направлению к поверхности гравитационное притяжение зародыша планеты обеспечивает втягивание из диска свежего газа. Став частью атмосферы, он также начинает сжиматься. Новый газ увеличивает совокупную массу зародыша планеты, обеспечивая расширение сферы действия гравитационных сил, а значит, и втягивание еще большего количества газа в атмосферу. Это запускает еще один стремительно набирающий обороты процесс, в ходе которого атмосфера зародыша планеты начинает расширяться со все большей и большей скоростью. В результате образуется массивная атмосфера глубиной в тысячи километров и рождается газовый гигант.

Существует два сценария развития событий, при которых возможна остановка процесса наращивания атмосферы. В первом атмосфера продолжает расширяться до тех пор, пока не исчезнет газовый диск. Когда под воздействием излучения звезды диск начинает рассеиваться, объем окружающего планету газа также начинает сокращаться. По истечении 10 млн лет диск исчезает, и планеты остаются с теми атмосферами, которые они успели аккумулировать.

Этот вариант, безусловно, правдоподобен, так как планета не может наращивать атмосферу при исчерпании доступного ей запаса газа. Скорее всего, этот сценарий был основным при формировании самых дальних газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Учитывая, что процесс формирования Урана и Нептуна проходил на таком значительном удалении от Солнца, у них было не так много доступного для поглощения твердого материала и газа, а значит, темпы образования зародышей этих планет должны были быть низкими. Поэтому вполне вероятно, что процесс формирования их атмосфер продолжался вплоть до момента, когда излучение Солнца заставило испариться остатки газа.

Здесь следует сделать небольшое уточнение: на самом деле Уран и Нептун располагаются настолько далеко от Солнца, что вряд ли они формировались именно там, где находятся сейчас. Если исходить из количества времени, которое бы потребовалось для образования планет их размера, газовый диск должен был исчезнуть прежде, чем у них бы смогла появиться атмосфера достаточного объема. Более правдоподобным выглядит предположение, что они сформировались ближе к Юпитеру и Сатурну, а затем переместились на окраину Солнечной системы. Тем не менее даже в этой предполагаемой точке, находящейся ближе к Солнцу, рост их атмосфер остановился с исчезновением газового диска.

Однако в случае с Юпитером и Сатурном описанный сценарий представляется менее вероятным. Предполагается, что отношение твердого ядра к огромной атмосфере у наших двух наиболее массивных газовых гигантов намного больше. Поэтому, вероятнее всего, у них было достаточно времени для аккумулирования газа, а остановка процесса поглощения в их случае была обусловлена каким-то другим механизмом. Существует гипотеза, что этим механизмом стало появление разрыва в протопланетном диске вдоль орбиты каждой из планет.

При движении по орбите время совершения полного оборота определяется расстоянием до звезды. Как и в случае со спортсменами на беговых дорожках, чем ближе протопланетный материал к звезде, тем меньше расстояние, которое он должен преодолеть, чтобы вернуться в исходное состояние. Поэтому газ, движущийся по орбите между планетой и звездой, обгоняет планету, тогда как газ по другую сторону от нее — отстает.

Перемещаясь по диску, газ испытывает воздействие гравитационного притяжения планеты. Что касается бегущего вперед газа, находящегося ближе к звезде, эта сила тянет его назад, замедляя его движение. И наоборот — газ с внешней стороны эта сила заставляет ускоряться.

С изменением скорости газа неизбежно меняется и его орбита таким образом, чтобы равновесие между круговой скоростью и силой притяжения звезды могло вновь восстановиться. Теперь скорость газа между планетой и звездой оказывается ниже, в результате чего он отдаляется от планеты и перемещается ближе к звезде. Тем временем, набрав скорость, газ с внешней стороны планеты начинает удаляться от нее в противоположном направлении. В результате вокруг планеты образуется область, в которой плотность газа существенно ниже, чем в остальных частях диска.

Если сфера действия гравитационного притяжения планеты выходит за пределы протопланетного диска сверху и снизу, этот разрыв может сохраняться в течение определенного времени. Планета настолько велика, что газ не может проникнуть в образовавшуюся дыру — его скорость меняется, и он выталкивается обратно. Таким образом, разрыв не заполняется и продолжает блокировать поток газа до момента исчезновения газового диска.

После того, как атмосфера прекращает расширяться, планета сжимается, поскольку атмосфера продолжает охлаждаться и опускаться вниз. Плотность атмосферы увеличивается, сжимать ее становится все труднее, она начинает сопротивляться сдавливающим ее силам. В глубине атмосферы газового гиганта давление газа в результате сжатия достигает значений, при которых водород превращается в необычный жидкий металл. Эти колоссальные силы заметно замедляют процесс сжатия Юпитера и Сатурна: по имеющимся у нас данным Юпитер сжимается на 1 мм в год. Но даже столь незначительного сокращения объема достаточно для нагревания планеты, которая излучает больше энергии, чем получает от Солнца.