Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Поэтому любое объяснение процесса образования суперземель с учетом результатов наблюдений должно допускать возможность формирования как крупных каменистых планет, так и небольших газовых гигантов. Отсюда вопрос: могла ли планета, находясь так близко к звезде, приобрести толстую атмосферу мини-нептуна? Оказывается, что проблема не в том, как захватить достаточно газа, а в том, как остановить этот процесс.

Формирующаяся новая планета может накапливать атмосферу, втягивая газ из окружающего пространства, вплоть до того момента, когда газ протопланетного диска рассеивается. На коротких орбитах в области с большим количеством планетезималей процесс формирования суперземель должен протекать очень активно, легко укладываясь в миллион лет. Таким образом, у них остается предостаточно времени для аккреции такого объема газа, который характерен для мини-нептунов. Более того, процесс может зайти слишком далеко, и вместо мини-нептуна может появиться горячий юпитер.

Ранее считалось, что массивность горячих юпитеров исключает возможность их формирования вблизи звезды. Но не было ли это допущение поспешным? Не означает ли возможность массового перемещения строительного материала во внутренние области диска, что в конечном итоге мы получим миры размером с Юпитер?

С ростом Юпитера во внешней области Солнечной системы его гравитация достигла значения, обеспечившего захват большого объема газа. В какой-то момент планета стала настолько тяжелой, что в ее атмосфере начался процесс неудержимого коллапса: по мере опускания газа к «поверхности» Юпитера атмосфера продолжала непрерывно сжиматься. Наконец под действием гравитации планеты в газовом диске образовался разрыв, и процесс прекратился. К этому моменту успел сформироваться большой газовый гигант. На первый взгляд процесс кажется неотвратимым. Но, как оказывается, существуют факторы, которые способны остановить его.

Учитывая, что молодая суперземля формируется из скоплений каменистых тел, перемещенных к мертвой зоне во внутренней части системы, в ее атмосфере содержится много пыли. Это затрудняет охлаждение газовой оболочки планеты, так как частицы пыли блокируют излучение (говоря техническим языком, атмосфера имеет высокую непрозрачность). При более высокой температуре газ менее подвержен действию гравитации планеты, в результате чего неудержимый коллапс происходит позже, уже после рассеивания газового диска. Планете удается заполучить толстую атмосферу, но до утопающего в газах горячего юпитера ей все-таки далеко.

Решающим фактором превращения суперземли в гигантскую землеподобную планету или в небольшой газовый мир может быть протопланетный диск. При большей массе диска процесс формирования суперземли происходит быстрее, и времени для захвата атмосферы остается больше. В более легких дисках формирование суперземли может продолжаться вплоть до момента рассеивания. Поэтому такие планеты являются каменистыми и имеют более тонкие атмосферы.

Процесс образования планет там, где мы их сейчас наблюдаем, называют формированием in situ («на месте»). Если допустить возможность перемещения материала горячим юпитером с последующим накоплением на границе мертвой зоны, вероятность развития событий по этому сценарию в случае с суперземлями представляется весьма высокой. Но в любом случае ставить точку в дискуссии о происхождении суперземель еще рано.

Кеплер-11 стала своего рода эталоном звезды с компактной группой планет на близких орбитах. Но оказалась, что она такая далеко не одна. Спустя год была найдена звезда Кеплер-32 с пятью планетами размером менее 3 земных радиусов и периодами обращения 0,7–23 суток. Затем рядом со звездой HD 40307 были обнаружены три новые планеты. Таким образом, общее количество известных нам планет в этой системе достигло шести. Масса каждой из них не превышает 7 масс Земли. У пяти период обращения составляет 4–52 суток. Последовавшая за этим череда открытий в других системах показала, что похожие конфигурации миров могут быть более чем у 10% звезд.

Возникает закономерный вопрос: если такое устройство планетных систем является обычным, почему в нашей Солнечной системе все иначе? Допустим, нашим газовым гигантам удалось избежать превращения в горячие юпитеры. Но как быть с потоком планетезималей в направлении звезды в начальный период существования системы? Должна же была из него сформироваться хотя бы одна суперземля?

Также развернулась дискуссия о том, могла ли планета, сформировавшаяся in situ, удержать обширную атмосферу мини-нептуна. Несмотря на изобилие материала в месте формирования, радиус сферы Хилла планеты остается маленьким, а значит, на первом этапе все может ограничиться появлением группы зародышей планет размером с Землю (поскольку при достижении размера Земли их масса достигает значения изоляции, о котором шла речь в главе 2). В течение последующего продолжительного периода в результате столкновений зародышей планет формируется суперземля. Поскольку в процессе столкновений столь массивных тел газы могут улетучиваться, новый мир рискует превратиться в каменистую планету с тонкой газовой оболочкой.

В ответ на критику был высказан ряд предположений, позволявших обойти обозначенные проблемы: мертвые зоны в разных протопланетных дисках могут иметь свои особенности; поток планетезималей мог быть остановлен каким-то другим процессом; столкновения не обязательно должны сопровождаться мощными ударами. Но все-таки доводы противников гипотезы о ловушке мертвой зоны оказались достаточно вескими, чтобы начался поиск альтернативных вариантов объяснения.

При отсутствии планетных ловушек суперземли, учитывая их относительную массивность, должны мигрировать на большой скорости. Возможно, они мигрировали к звезде откуда-то очень издалека?

У идеи о рождении суперземель на большом расстоянии от звезды есть свои плюсы и минусы. Отсутствие четкой границы между размерами каменистых суперземель и мини-нептунов может рассматриваться как свидетельство их принадлежности к одному классу с общим механизмом формирования. Поскольку процесс образования нашего Нептуна проходил за снеговой линией во внешней области Солнечной системы, кажется разумным предположить, что горячие мини-нептуны — а вместе с ними и каменистые суперземли — появились на свет в похожем месте. В этом случае каменистые планеты — это те, которые не смогли захватить гигантские атмосферы либо из-за недостаточно большой массы, либо из-за того, что их формирование проходило незадолго до рассеивания газового диска.

Таким образом, в своей эволюции они похожи на горячие юпитеры. В любом случае, формирование больших планет могло начаться за снеговой линией, где предостаточно строительного материала. Вдали от звезды сфера Хилла планеты достаточно обширна. Поэтому она может быстро наращивать массу и захватывать газы, не рискуя потерять атмосферу в результате столкновений.

Также мы получаем объяснение того, почему в Солнечной системе нет суперземель. Согласно модели смены галса, разворот Юпитера и Сатурна остановил миграцию Урана и Нептуна. Если бы громадные газовые гиганты не преградили им путь, зародыши этих менее массивных миров вполне могли бы переместиться во внутреннюю область Солнечной системы, ближе к нашему светилу. То есть, сделав всего одно допущение, мы избавляем себя от необходимости апеллировать к множеству различных механизмов образования планет, чтобы объяснить происхождение этих разнородных миров.