Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Однако, воспринимая миграцию как универсальную силу, мы ступаем на зыбкую почву, так как тем самым мы утверждаем, что коренная перестройка планетной системы является обычным явлением. Хотя горячие юпитеры, вероятнее всего, оказываются во внутренней области планетных систем именно в результате миграции, они соседствуют всего лишь с 1% звезд. Напротив, горячие суперземли, как считается, встречаются на орбитах вокруг 50% звезд. Чтобы объяснить, как всем этим планетам удалось поменять свои орбиты, простой констатации возможности миграции уже недостаточно — она должна стать важным элементом архитектуры планетной системы.

К тому же есть ряд наблюдений, которые не укладываются в описанную модель. Исходя из того, как протекала стремительная миграция Юпитера и Сатурна, можно предположить, что вследствие взаимных притяжений при перемещении по газовому диску соседние планеты должны входить в орбитальный резонанс. Сближение внешней планеты с соседом на внутренней орбите может происходить либо в процессе миграции, либо в момент остановки второго мира на внутренней границе протопланетного диска. В результате их орбиты входят в резонанс, при котором соотношение между периодами обращения планет равняется точному целому числу. Хотя такая картина наблюдается в ряде систем, таких как Глизе 876, во многих других, например в Кеплер-11 и HD 40307, эта модель не работает. Означает ли это, что миграции действительно не было?

Наличие орбитального резонанса, безусловно, свидетельствует в пользу того, что миграция имела место, но его отсутствие не означает обратного. Это объясняется, в частности, тем, что миграция первого рода может состояться только при выполнении ряда весьма специфических условий. При обсуждении планетных ловушек мы упоминали о зависимости первого этапа миграции от параметров окружающего газа. Масса планеты также является важным фактором: чем массивнее планета, тем интенсивнее ее гравитационное взаимодействие с газовым диском. Миграция более тяжелых планет, как правило, происходит на более высокой скорости и продолжается до момента образования разрыва в газе, после чего она замедляется и переходит в миграцию второго рода. Однако в диске могут быть участки, где при определенном сочетании силы притяжения планеты и параметров окружающего ее газа направление миграции на короткое время может меняться на противоположное. Таким образом, пути миграции в значительной степени определяются сложившимся в некоторый момент времени уникальным сочетанием таких факторов, как масса планеты, параметры газа в пространстве вокруг планеты и притяжение соседних планет[10].

Разнообразие возможных траекторий миграции означает, что к моменту полного улетучивания газа из диска возможны разные варианты расположения планет. В одном наборе компьютерных моделей для противоположного процесса при обратной миграции была получена область, допускавшая формирование планет массой, более чем в 5 раз превышающей массу Земли. Планетами, зародыши которых могли наращивать массу настолько быстро, чтобы воспользоваться этими благоприятными условиями, стали потенциальные горячие юпитеры. В определенный момент движение этих массивных миров к звезде остановилось, в результате чего они «застряли» чуть на большем расстоянии, чем менее крупные суперземли. Полученный результат совпадает с данными наблюдений, которые показывают, что горячие юпитеры концентрируются позади популяции суперземель. Подтверждается и вывод об их относительной малочисленности, связанной с тем, что для набора необходимой для разворота массы и попадания в область миграции вовне они должны были расти с достаточно высокой скоростью. При разнообразии траекторий снижается вероятность захвата планет в резонанс, благодаря чему расстояния между ними могут варьироваться в широком диапазоне.

У идеи о миграции суперземель нашлись и другие возможные объяснения. Согласно одному из них, первоначально планеты могли находиться в резонансе, но, когда газ улетучился, они вышли из него в результате бомбардировки оставшимися твердыми телами. Эволюция наших газовых гигантов проходила по тому же сценарию: их орбиты сместились в результате взаимодействия с рассеиваемыми ими планетезималями. Еще один возможный сценарий: на вращающиеся рядом со звездой суперземли оказывает влияние невидимая гигантская планета, находящаяся на большем удалении от звезды. В присутствии далекого гравитационного «громилы», точное положение которого труднее определить из-за большого расстояния, суперземли могут перейти на другие орбиты, выйдя из резонанса.

Допуская, что идея о миграции суперземель имеет под собой серьезные основания, мы сталкиваемся с другой проблемой. Если миграция является таким важным фактором формирования суперземель, могут ли в системе с планетой, движущейся по близкой к звезде орбите, быть условия для существования пригодного для жизни мира вроде нашей Земли?

Правда ли, что Земля уцелела благодаря Сатурну? Ведь не будь в Солнечной системе второго газового гиганта, Юпитер ждала бы та же участь, что и, например, 51 Пегаса b: он бы устремился к Солнцу, сметая все на своем пути. За ним могли бы последовать Уран и Нептун, превратившись в результате миграции в суперземли на близких к звезде орбитах. На пути во внутреннюю область Солнечной системы эти гигантские миры, скорее всего, разорвали бы нашу любимую Землю на мелкие кусочки.

Расположение Земли на расстоянии 1 а.е. является ключевым фактором ее пригодности для жизни. На таком расстоянии от Солнца планета получает ровно столько энергии, сколько необходимо, чтобы поддерживать наше существование, то есть она и не перегревается, и не переохлаждается. Если бы она формировалась где-то еще, скорее всего, у жизни не было бы никакого шанса.

Может ли позади горячих юпитеров или суперземель, занимающих орбиты вблизи звезды, существовать мир, аналогичный нашей Земле? Если нет, то при поиске инопланетных соседей нам придется сразу отбросить половину всех планетных систем. В этом случае жизнь действительно является исключительно редким явлением во Вселенной.

Мчащаяся к центру системы планета способна спровоцировать настоящую катастрофу. Под действием гравитационного притяжения мигрирующего мира происходит рассеивание каменистого материала из внутренней части планетной системы. Сгребая планетезимали к звезде, немалую их часть он поглощает сам. Зона планет земной группы становится похожа на опустевшую фабрику, простаивающую из-за отсутствия сырья.

Даже если до начала миграции сформируется молодая планета, при приближении гиганта она окажется во власти его притяжения и, подобно комете, будет выброшена на новую орбиту. Причем с большой долей вероятности траектория ее движения вокруг звезды будет иметь форму сильно вытянутого эллипса, то есть расстояние от планеты до звезды при вращении будет меняться в большом диапазоне значений. Из-за резких скачков поверхностной температуры в течение года сезоны на планете будут ярко выраженными. Такие условия не исключают саму возможность сохранения воды и развития жизни, но сильно ее затрудняют.