Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Но что, если наша Солнечная система с момента своего рождения была отклонением от нормы? Может быть, ситуация, когда область формирования суперземель изобилует пылью, является обычной — пусть даже в протопланетном диске рядом с нашим Солнцем и было мало вещества? Если это так, то даже при маленьком радиусе сферы Хилла вокруг планеты будет предостаточно твердых тел.

В первой главе мы представили себе, как мог выглядеть протопланетный диск в нашей планетной системе: чтобы воссоздать первоначальное пылевое состояние, мы взяли за основу текущее положение планет и разложили их на составляющие в пространстве вокруг орбит. В результате у нас получилась протосолнечная туманность минимальной массы. А что получится, если мы проделаем то же самое с планетными системами, в которых есть суперземли?

Если мысленно раскрошить суперземли, мы получим протопланетный диск и увидим, как в нем должна была распределяться пыль, чтобы образовалось такое скопление планет. К сожалению, представляя наполненный веществом планетообразующий диск, мы сталкиваемся с проблемой. Из-за высокой концентрации пыли, находящейся во взвешенном состоянии в плотном газе, масса внутреннего диска оказывается очень большой. В этом случае должен сработать тот же самый механизм, посредством которого, согласно описанной ранее гипотезе, происходило формирование газовых планет в удаленной от центра системы части диска: внутренний диск должен рассеяться под воздействием собственной избыточной гравитации. Если бы все происходило именно так, то новые планеты походили бы на газовые гиганты и не имели ничего общего с суперземлями. Кроме того, при попытке разложить планетные системы, в состав которых входят суперземли, на мельчайшие частицы мы получаем протопланетные диски очень странной формы. Строение многих из них оказывается настолько необычным, что приходится исключить саму возможность формирования таких дисков вокруг звезды — в противном случае пришлось бы оперировать причудливыми аномалиями вроде постепенного нарастания температуры по мере удаления от звезды.

Таким образом, у нас нет универсальной модели протопланетного диска, в которой бы нашлось место суперземлям. Более вероятным представляется сценарий, в котором необходимая для формирования этих планет масса появляется после образования диска.

Еще одна гипотеза исходит из предположения о существовании гигантской метлы. Когда вы берете метлу и подметаете пол, у вас получается куча пыли. Пока она равномерно распределена по поверхности пола, слой кажется очень тонким. Но стоит смести ее в одно место, как она тут же превращается в горку приличного размера, для выноса которой потребуется мешок. Существовал ли протопланетный аналог метлы, который мог замести твердые частицы в кучу достаточно большого размера, чтобы образовалась суперземля?

Гипотеза о сгребании каменистых тел позволяет избежать трудностей, связанных с идеей о рождении суперземель в особом протопланетном диске. Сначала формировался диск обычной формы — без порождающей неустойчивость высокой концентрации газово-пылевого материала вблизи от звезды. Затем каменистые твердые тела со всего диска сгребались на орбиты суперземель, обеспечивая быстрый темп формирования этих планет. Поскольку в процессе участвовали только твердые частицы, но не газ, масса внутреннего диска не достигала порога, за которым происходит распад диска на газовые гиганты. Вопрос только в том, что выступило в роли такой метлы. Ответ: горячий юпитер.

На своем пути к звезде в процессе миграции планета размером с Юпитер врезается в самую гущу планетезималей, участвующих в процессе формирования миров земного типа. Многие из каменистых тел будут рассеяны или захвачены притяжением планеты, другие займут резонансные орбиты, обеспечивающие синхронизацию их движения вокруг звезды с движением Юпитера. Став частью устойчивой резонансной структуры, планетезимали второй группы вынуждены следовать к звезде вслед за Юпитером. Со временем их становится все больше, они сбиваются в группы и сталкиваются, образуя мир размером больше любой планеты во внутренней области Солнечной системы. Результат — суперземля, обращающаяся по орбите, которая ближе к звезде, чем орбита горячего юпитера. Описание кажется правдоподобным, но есть ли какие-нибудь свидетельства того, что все так и происходит в действительности?

Глизе 876 — звезда меньше и холоднее нашего Солнца, так называемый красный карлик. Она располагается приблизительно на расстоянии 15 световых лет от нас в созвездии Водолей. В процессе измерения колебаний лучевой скорости звезды были выявлены четыре планеты, самая близкая из которых к звезде была суперземлей с массой, равной почти 7 массам Земли, и периодом обращения всего лишь 2 дня. Чуть дальше, на орбитах с периодами обращения 30 и 60 дней, располагаются два горячих юпитера.

Юпитеры и самая дальняя четвертая планета размером с Уран находятся в орбитальном резонансе. За то время, которое требуется ближайшему к звезде гиганту, чтобы совершить четыре оборота, средняя планета успевает сделать два полных оборота, а внешняя — один. Резонанс 1:2:4 совпадает с резонансом спутников Юпитера — Ганимеда, Европы и Ио. Резонансы служат подтверждением идеи о том, что три планеты мигрировали к звезде вместе. Взаимное гравитационное притяжение привело к синхронизации их орбит (как это случилось с Юпитером и Сатурном во время разворота при миграции по Солнечной системе). По мере продвижения к звезде планетезимали меньшего размера также могли быть захвачены в орбитальный резонанс и выкинуты вперед. Затем между этим твердыми глыбами могли происходить столкновения, в результате которых они сходили с резонансных орбит и участвовали в формировании суперземли во внутренней части планетной системы.

Примечательно, что отношение размеров самых крупных планет рядом с Глизе 876 очень сильно отличается от отношения размеров Юпитера и Сатурна: мир, который находится дальше от звезды, тяжелее Юпитера в 2,5 раза, тогда как масса второго составляет 0,7 массы Юпитера. Возможно, именно поэтому эти две планеты не совершили разворот, который бы позволил им не стать горячими юпитерами.

Наличие у суперземли братьев-гигантов придает вес теории формирования планет на близких к звезде орбитах из вещества, заметенного во время миграции. Проблема в том, что суперземли встречаются намного чаще горячих юпитеров. Возникает вопрос: как твердый строительный материал попадает в окрестности звезды, если рядом нет метлы-юпитера?

«Самое важное открытие с момента обнаружения 51 Пегаса b» — так охарактеризовал найденную в 2011 г. новую планетную систему планетолог Джек Лиссауэр из Исследовательского центра Эймса NASA в Калифорнии.

Находка включала шесть планет, проходящих по диску солнцеподобной звезды Кеплер-11 в созвездии Лебедь на расстоянии около 2000 световых лет от Солнечной системы. Из-за большого количества проходящих планет в одной системе и их близкого расположения, указывающего на самый высокий уровень концентрации планет за все время наблюдения, новость об открытии сразу попала на первые полосы прессы.

Пять из шести планет движутся вокруг Кеплер-11 по орбитам, которые вписываются в орбиту Меркурия, а шестая находится чуть дальше от звезды. Анализ изменения времени наступления транзита планет под влиянием взаимного притяжения позволил измерить их массу. Оказалось, что в этом компактном семействе пять суперземель массой от 2 до 8 масс Земли. Из-за слабого влияния на остальные миры в системе установить массу последней планеты, получившей обозначение Кеплер-11 g, несколько труднее. По приблизительной оценке, она не превышает 25 масс Земли, то есть представляет собой мир размером с Нептун.