Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Так в чем же причина некогда постигшей Марс катастрофы? Основная проблема – это отсутствие плотной атмосферы, обеспечивающей планету парниковым эффектом[43] и условиями, подходящими для привычной нам, жителям Земли, жизни. На раннем этапе существования Марса его атмосфера, очевидно, была сопоставима с земной – иначе не смогли бы образоваться жидкие водоемы. Причина потери значительной части атмосферы в некоторой степени кроется в массе Марса. При радиусе, равном 0,5 R⊕, она составляет всего 1/10 M⊕. Вероятно, при такой массе гравитация, создаваемая планетой, оказалась не способна удержать массивную атмосферу, и та улетучилась. Еще одним фактором, влияющим на исчезновение плотной атмосферы, стало практически полное отсутствие у Марса магнитного поля. При своих размерах самостоятельно он может генерировать только очень слабое магнитное поле, в 500 раз слабее магнитного поля Земли. Будь у Марса более сильное магнитное поле, оно было бы способно поддерживать целостность его атмосферы.

Чтобы покинуть атмосферу планеты, скорость молекул должна быть больше (или равна) некой пороговой скорости, зависящей от массы планеты. Эту скорость называют второй космической. В любой атмосфере есть как нейтральные атомы, так и обладающие зарядом ионы. Нейтральные атомы никак не взаимодействуют с магнитным полем, и они действительно могут улететь в открытый космос в случае, если в результате столкновения с другими молекулами случайно приобретут ту самую вторую космическую скорость. Этот процесс называется диссипацией, но его влияние на атмосферу не очень велико, так как нейтральных частиц в верхних слоях атмосферы меньшинство. С ионами ситуация другая. Магнитное поле взаимодействует с ними, поскольку ионы, в отличие от молекул, обладают электрическим зарядом, и возвращает большинство из них обратно в атмосферу. Обратите внимание: это происходит даже в том случае, если скорость ионов больше второй космической. У Марса магнитного поля нет, и под действием солнечного ветра его атмосфера беспрепятственно диссипирует вот уже миллиарды лет. Сегодня марсианская атмосфера истончается со скоростью около 9 т/сут.

Вопрос, почему Марс так мал, является одним из открытых в астрономии. Здравый смысл говорит, что планета должна быть больше. Логика здесь простая: чем дальше планета от своей звезды, тем меньше сила, с которой родительская звезда действует на планету, – следовательно, тем больше область пространства, в которой космические «булыжники» протопланетного диска вместо того, чтобы продолжать двигаться по орбите вокруг звезды, захватываются гравитацией планеты[44]. Таким образом, более далекая от Солнца планета легче аккумулирует и концентрирует вокруг себя вещество и быстрее растет, чем планета более близкая. Чем дальше планета находится от Солнца, тем больше должен быть ее размер. В Солнечной системе это правило действует вплоть до Юпитера (Марс – исключение!). А начиная с Юпитера, размер планет уменьшается. И этому тоже есть объяснение. Выше я писал о предположении, что все планеты имеют доступ к одинаковому количеству вещества. Но это не так. Плотность вещества в протопланетном диске постепенно падает по мере удаления его от звезды, и отдаленным планетам просто не хватает материи в окружающем их пространстве, чтобы набрать массу. Так что размеры газовых гигантов за Юпитером вопросов у астрономов не вызывают.

Когда же дело касается массы Марса, нам не остается ничего, кроме как признать собственное невежество. Обычно первая мысль, которая возникает в связи с этим, состоит в том, чтобы попытаться компенсировать недостаток массы Марса материей из Главного пояса астероидов. К сожалению, ничего не получится. Масса всех астероидов, движущихся по орбитам в пространстве между Марсом и Юпитером, составляет около 0,5 % массы Земли. Это довольно мало. Летай Хан Соло на Millennium Falcon не через астероидное поле Хота, а через пояс астероидов Солнечной системы, он, скорее всего, не увидел бы в иллюминатор ни один объект. Даже когда мы проектируем космические аппараты для полетов к внешним планетам Солнечной системы, вероятность столкновения с астероидом никто не принимает хоть сколько-нибудь всерьез. Таким образом, малую массу Марса можно объяснить только малым количеством материала, которое имелось на орбите во времена формирования этой планеты. И единственная планета, которая может быть за это ответственна, – Юпитер. Но Юпитер находится достаточно далеко от Марса, чтобы оказать такое сильное влияние на процесс его формирования. В 2009 году вышла статья, где обсуждались начальные условия, при которых без привлечения неизвестной физики Марс мог получить современную величину своей массы61. Однако условия получились такими нереалистичными, что авторы вынуждены были заявить о необходимости искать другое объяснение. Впоследствии стало понятно, что его можно найти в, казалось бы, забытой гипотезе о миграции планет.

Еще с Античности люди привыкли думать, что орбиты планет всегда были неизменны. Однако сегодня мы должны пересмотреть эти представления. Гипотезу о том, что орбиты планет могут эволюционировать, по-видимому, впервые высказали еще Питер Голдрайх и Скотт Тремейн в статье 1980 года62. Эта статья поначалу казалась математическим курьезом. У себя дома, в Солнечной системе, мы не могли увидеть подтверждения изложенных там предположений. Но все изменилось, когда 15 лет спустя произошло открытие горячих юпитеров, ключом для понимания которых стала планетарная миграция. С тех пор гипотеза о миграции была развита и расширена.

Миграция планет стала основной гипотезой, объясняющей формирование и строение планетных систем. О ней любят говорить как о факте, но на сегодняшний день никаких наблюдаемых доказательств миграции планет нет. Обратите на это внимание. Да, существование горячих юпитеров и строение Солнечной системы сложно объяснить, не прибегая к «помощи» миграций, однако астрономы находят самые разнообразные конфигурации орбит в экзопланетных системах, и не все эти конфигурации можно объяснить гипотезой о миграции.

Считается, что в основе миграции планет лежат три различных физических механизма. Эти механизмы могут осуществляться с большей или меньшей эффективностью в зависимости от массы планеты, плотности газа в диске, типа родительской звезды и других характеристик протопланетного диска. И вызваны они взаимодействием планеты с главными составляющими протопланетного диска: газом, планетезималями или другими уже сформировавшимися планетами, находящимися в непрерывном движении вокруг родительской звезды.