Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Под воздействием мощной гравитации газовых гигантов близлежащие планетезимали быстро набирали скорость. Огромная планета не могла их захватить — они двигались слишком быстро и в результате оказывались выброшенными далеко за пределы данной области. Подобно стрелку, ощущающему отдачу при стрельбе из огнестрельного оружия, при выталкивании планетезимали планета получала толчок в обратном направлении. Каждый такой толчок отдачи не оказывал особого влияния на газового гиганта, но с учетом количества рассеиваемых планетезималей это могло в итоге привести даже к изменению орбиты планеты. Такой новый вид движения называют миграцией, обусловленной планетезималями.

Учитывая трудности, которые возникают при попытке объяснить формирование Урана и Нептуна на их нынешних орбитах, высказывается предположение, что в момент рассеивания протопланетного диска эти две планеты были намного ближе друг к другу. И если Юпитер мог оставаться на расстоянии 5 а.е., то Нептун должен был находиться не в 30, а 15 а.е. от Солнца. В промежутке между этими двумя планетами должны были располагаться Сатурн и Уран. В процессе рассеивания планетезималей тесный союз планет должен был распасться, то есть расстояния между ними должны были увеличиться.

В результате расхождения орбит Юпитер и Сатурн вошли во второй орбитальный резонанс. Однако на этот раз планеты не были сцеплены резонансом. Если при сближении планеты могут заставить друг друга поддерживать резонансные орбиты, то остановить друг друга при расхождении они не в состоянии. При прохождении резонанса Юпитер и Сатурн испытали гравитационный толчок, который изменил орбиты планет, сделав их более эллиптичными.

Двигаясь по измененным орбитам, две самые большие планеты переместились ближе к Урану и Нептуну, и две меньшие планеты оказались вытолкнуты вовне и вклинились в скопление планетезималей на краю системы. Результатом стало массовое рассеивание каменистых тел, которые разлетелись по всей Солнечной системе. Одни были вытеснены на окраину, образовав пояс Койпера; другие бомбардировали внутренние планеты; третьи совсем покинули область планет, найдя пристанище в облаке Оорта.

Модель Ниццы получила название в честь города, в котором была сформулирована эта идея. В модели Ниццы II аналогичный сценарий был предложен для области между остатками планетезималей на краю системы и газовыми гигантами. Согласно этой версии, планетезималям не нужно было проникать внутрь и рассеиваться. Гравитационного притяжения поля каменистых обломков было достаточно, чтобы нарушить резонансы между газовыми гигантами и спровоцировать хаос. При кажущейся умозрительности этих моделей, доказательства масштабного рассеивания небесных тел можно найти на поверхности Луны. Обследование лунных кратеров говорит о резком всплеске метеоритной активности 700 млн лет назад.

После рассеивания планетезималей планеты-гиганты наконец заняли постоянные орбиты. Уран и Нептун расположились там, где они находятся сейчас, — на большем удалении, в окружении моря планетезималей, вытолкнутых движением Нептуна и образовавших пояс Койпера.

Миграция является теми рельсами, по которым планеты размером с Юпитер быстро и легко скатываются к своим звездам. Казалось бы, с включением миграции в модель формирования Солнечной системы проблему происхождения этого необычного класса планет можно было считать решенной. Однако с открытием новых планет была выделена популяция горячих юпитеров, которая не совсем укладывалась в картину миграции с участием газа.

На первый взгляд, планета WASP-17 b казалась типичным горячим юпитером. Названа она так была потому, что стала 17-й планетой, открытой методом транзитов при наблюдении с поверхности Земли[7] в рамках проекта «Широкоугольный поиск планет» (Wide Angle Search for Planets, WASP).

Планета была обнаружена на орбите вокруг звезды в созвездии Скорпион на расстоянии 1300 световых лет от Земли. Короткий период обращения, составляющий всего лишь 3,7 дня, и радиус, равный 1,5–2 радиусам Юпитера, четко указывали на то, что это был еще один горячий газовый мир. Но при более тщательном изучении у WASP-17 b обнаружились две удивительные особенности: во-первых, планета оказалась ужасно раздутой. Хотя по размеру она относится к классу супер-юпитеров, ее масса составляет лишь 1,6 массы Сатурна. При маленькой массе и огромном размере средняя плотность планеты составляет 6% — 14% плотности Юпитера и всего несколько процентов плотности Земли. Значение было настолько низким, что британский астрофизик Коэл Хеллиер назвал WASP-17 b «имеющей плотность пенополистирола».

Вторым неожиданным открытием стало то, что WASP-17 b движется в обратном направлении. Планеты Солнечной системы обращаются по орбитам вокруг светила в том же направлении, в каком вращается наша звезда. Такие орбиты называют прямыми. Это не удивительно, поскольку Солнце, протопланетный диск и планеты формировались из одного ядра, состоящего из вращающегося газа.

Когда все вращается в одном направлении, орбита планеты при миграции не должна меняться на обратную. Как щепки, попавшие в водоворот, горячий юпитер, втянутый во внутреннюю часть планетной системы, должен обращаться по орбите в том же направлении, но намного ближе к звезде. Обращение WASP-17 b в противоположном направлении противоречило идее миграции с участием газа. Движение WASP-17 b называют обратным, или ретроградным. Для планет Солнечной системы такое своеволие нехарактерно, а вот кометы ведут себя несколько иначе. Например, комета Галлея, орбита которой была повернута в обратную сторону в результате мощного толчка со стороны планеты, движется вокруг Солнца в противоположном направлении. Возможно, обратное движение WASP-17 b также объясняется толчком. Поиски других планет, которые бы обращались вокруг той же звезды, пока не увенчались успехом, однако не исключено, что у нее есть невидимый дальний собрат. Согласно еще одной гипотезе, этим собратом может быть звезда.

Приблизительно 30% — 50% звезд в нашей Галактике — двойные, то есть представляют собой две (а в некоторых случаях и более двух) звезды, обращающиеся одна вокруг другой. Степень влияния гравитационного притяжения звездного собрата на формирование планет в значительной мере зависит от расстояния. У WASP-17 нет очевидного звездного компаньона, но не исключено, что в какой-то момент близлежащая к ней звезда могла вмешаться в жизнь планеты.

Механизм вмешательства звезд в жизнь планетных систем других звезд независимо друг от друга описали советский ученый Михаил Лидов в 1961 г. и японский астроном Ёсихидэ Козаи в 1962 г. В то время о странных особенностях орбит экзопланет еще не было известно — Лидов занимался изучением орбит естественных и искусственных спутников, а Козаи интересовали астероиды.

Оба ученых занимались изучением систем с двумя движущимися по орбитам крупными небесными телами, вокруг одного из которых вращается спутник значительно меньшего размера. В исследовании Лидова это были Земля, Луна и космический зонд на орбите Земли. В работе Козаи крупными телами были Юпитер и Солнце, меньшим — астероид. Астрономы обнаружили, что орбита спутника (космического зонда или астероида) может быть возмущена вторым крупным телом (Луной или Юпитером). Точнее говоря, маленький спутник может уменьшить наклонение (высоту) над орбитой двух крупных тел в обмен на увеличение эксцентриситета своей орбиты. Это приводит к поочередной смене значений высоты и эксцентриситета орбиты спутника, при которой он переходит с орбиты с большим углом наклонения на сильно вытянутую эллиптическую орбиту и обратно (механизм Козаи — Лидова).