Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Описанный механизм формирования газового гиганта называют моделью аккреции на ядро, так как в ее основе лежит идея активной аккреции газа на поверхность твердого ядра. Интригует то, что он очень похож на механизм формирования планет земного типа, за исключением того, что связано с активным формированием атмосферы. Но время, которое требуется для его завершения, уже не кажется столь интригующим.

Первоначально считалось, что формирование Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна на их текущих орбитах продолжалось дольше 10 млн лет, что казалось невозможным, ведь к концу этого периода от газового диска уже ничего не должно было остаться. Поначалу осознание обозначенной проблемы привело к признанию невозможности аккреции на ядро, но благодаря корректировке модели после ряда новых открытий был сделан вывод о меньшей длительности периода образования четырех планет.

Первая корректировка связана с простым уточнением первоначальных расчетов модели. Скорость охлаждения газа отчасти определяется тем, слипаются ли частицы пыли при попадании в атмосферу, оседая на поверхность, или же они остаются во взвешенном состоянии в газе. Во втором случае образуемый частицами туман предотвращает утечку тепла (речь идет о повышении степени непрозрачности атмосферы), что замедляет процесс охлаждения. При оседании пыли на поверхность ядра охлаждение ускоряется, и атмосфера быстро переходит к стадии неудержимого расширения.

Более радикальное решение — переместить планету. В основе работы планетного буксира лежит тот же механизм, что обеспечивает образование разрывов в протопланетном диске. Пока планета притягивает газ, создавая условия для образования разрыва, газ, в свою очередь, тащит ее в обратном направлении. Газ внутри орбиты увлекает планету вперед, а та старается затормозить его, тогда как газ на внешней стороне орбиты тормозит планету, пока другие силы тянут ее вперед. Если газ на внешней стороне орбиты и газ внутри нее тянут с одинаковой силой, на планете это никак не отражается. Однако планета движется немного быстрее газа внутри орбиты, поскольку она не подвержена давлению. Это приводит к тому, что тормозящий газ оказывается ближе к поверхности планеты, одерживая верх над внутренними силами ускорения. Поэтому планета замедляется и получает направленный внутрь импульс.

При перемещении планеты по диску она сталкивается с новым скоплением планетезималей. Благодаря новой порции питания скорость аккреции снова возрастает, что приводит к сокращению времени, необходимого для начала коллапса, ни много ни мало в 10 раз. В этом сценарии планета вроде Юпитера начинает формироваться на расстоянии приблизительно 8 а.е., а затем перемещается к своему текущему положению на расстоянии 5 а.е., захватывая, как будто тралом, все объекты на своем пути. С открытием экзопланет идея о миграции планет стала ключевым элементом теорий их образования, выступая одновременно как в качестве фактора, способствующего процессу формирования, так и в качестве одного из главных препятствий на его пути.

Относительно недавно было высказано предположение о существовании еще одного механизма, обеспечивающего ускоренный набор массы газовыми гигантами. Согласно теории аккреции обломков, поглощение каменистых объектов меньшего размера позволяет планете расти быстрее, чем при слипании с крупными планетезималями.

Рост зародыша планеты замедляется, как только скорость приближающихся к нему планетезималей достигает значений, достаточных для преодоления его гравитации. Сложности начинаются еще на стадии олигархического роста; но труднее всего зародышу планеты улавливать более крупные планетезимали, которые разбросаны вокруг него на поздних этапах.

Однако даже после формирования в протопланетном диске более массивных планетезималей в нем по-прежнему остается большое количество каменистых тел меньшего размера. Не превышающие 10 см в диаметре обломки представляют собой прекрасную «закуску», так как при таком размере они пока еще не способны преодолевать сопротивление газа. Когда они оказываются рядом с зародышем планеты, сопротивление заставляет их замедляться, из-за чего они намного чаще сходят со своих орбит и сталкиваются с зародышем. Поэтому зародыши планет могут чрезвычайно легко слипаться с каменистыми телами такого размера, набирая массу в сто раз быстрее там, где сейчас находится Юпитер.

Скорее всего, при возникновении планет были задействованы все эти три механизма, сокращающие время, необходимое для аккумулирования огромной атмосферы. Таким образом, аккреция на ядро кажется наиболее правдоподобной моделью формирования большинства газовых гигантов. Впрочем, есть миры, существование которых ставит ее под сомнение.

Модель аккреции на ядро стала серьезной заявкой на объяснение механизмов образования планет-гигантов, но продержалась она недолго. Чем дальше от центра протопланетного диска, тем труднее сформировать планету. Что касается небольших каменистых миров на окраинах Солнечной системы, таких, например, как Плутон, главным виновником их удаленного положения можно считать взаимодействие с массивными планетами. Когда газовые гиганты раздуваются в размерах, в сферу их гравитационного притяжения попадают сначала крупные планетезимали, а затем — менее крупные каменистые зародыши планет. В силу большого размера они легко преодолевают сопротивление газа, и поэтому к тому моменту, когда они достигают газового гиганта, большинство этих объектов движутся слишком быстро, чтобы газовая планета могла их поглотить. Вместо этого они проносятся мимо нее, набирая скорость, и разлетаются по всей Солнечной системе.

Так, Плутон был вытолкнут на окраину в составе большого скопления планет-карликов и планетезималей, оказавшись позади Нептуна. Другие планетезимали были раскиданы внутри Солнечной системы или вовсе покинули ее пределы. Гравитационное притяжение гиганта Юпитера было настолько мощным, что под его воздействием зародыши планет в пределах Солнечной системы начали рыскать и сталкиваться друг с другом, образуя планеты земной группы.

Этого достаточно для объяснения процесса формирования нашей Солнечной системы: в результате столкновений частиц пыли образуются планетезимали, которые вырастают в зародыши планет. Газовые гиганты аккумулируют огромные атмосферы в процессе безудержного расширения путем аккреции на ядро, а под влиянием их громадной массы начинается игра в гравитационный пинг-понг, во время которой завершается рост планет внутри системы и происходит выталкивание кольца планет-карликов и каменистых глыб. А потом мы открыли экзопланеты.

Предполагается, что Фомальгаут b — это планета-гигант, движущаяся по орбите вокруг своей звезды на немыслимом расстоянии 119 а.е. Для сравнения: Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, находится всего лишь в каких-то 30 а.е. от Солнца. На расстоянии в сотни а.е. формирование ядра такого размера, который позволил бы образоваться массивной атмосфере, просто невозможно. И вот тут-то в спор вступает планета Фомальгаут b, верхняя оценка массы которой втрое больше массы Юпитера. Ее открытие нанесло серьезный удар по модели аккреции на ядро, которой противоречило как расположение этой планеты в разреженном внешнем диске, так и увеличение в три раза массы, которую должна набрать планета.