Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Сколько и какие планеты покинули Солнечную систему, мы не узнаем уже, наверное, никогда. Понятно, что планеты с малой массой с большей вероятностью могут быть выброшены из системы, чем гигантские планеты вроде Юпитера. Означает ли это, что в Солнечной системе всегда было четыре газовых гиганта? Нет. Как показало одно из исследований 2011 года, модели планетной системы, включающие пять газовых гигантов, могут объяснить орбиты Земли и Марса лучше, чем модели только с четырьмя95. Возможно, планета размером с Нептун сформировалась и была выброшена из Солнечной системы на заре времен. Что касается планет земной группы, то нашу систему могло покинуть до десяти планет размером с Марс. Конечно, компьютерные модели – это ни в коем случае не доказательства, но они иллюстрируют возможности.

Какова судьба этих планет-странников? В первую очередь она определяется их строением, потому что при отсутствии внешних источников энергии их место занимают внутренние (если они, конечно, есть). Если выброшенная планета имеет марсианские размеры, она остынет достаточно быстро – в первые сотни миллионов лет своей жизни[65]. Недра более крупных планет, размером с Землю и больше, будут остывать миллиарды лет, подогреваемые жаром конвективных потоков в мантии и энергией распада радиоактивных элементов. Если тело представляет собой спутник выброшенного в свободное плавание газового гиганта, то энергия приливной деформации позволит его недрам сохранять высокие температуры практически безгранично долго, а в подледных океанах планеты могут быть все условия для существования жизни.

Лишенные родительской звезды планеты – их называют блуждающими планетами, а также планетами-бродягами или планетами-сиротами – долгое время существовали лишь на бумаге. Но однажды такую планету наконец удалось обнаружить.

Двумя самыми эффективными методами поиска экзопланет являются транзитный метод и метод радиальных скоростей. Так как оба ориентированы на отслеживание звездного света, очевидно, что для поиска блуждающих планет они не подходят. Некоторые еще не остывшие блуждающие планеты являются источниками излучения – невидимого глазу инфракрасного света. Поиск источников инфракрасного излучения для обнаружения планет-бродяг в нашей галактике был бы хорошей идеей, если бы не точность измерительной аппаратуры, которая оставляет большой простор для интерпретации наблюдений.

Первой подтвержденной блуждающей планетой, статус которой у большинства астрофизиков не вызывает сомнений, стал объект, обнаруженный в 2013 году и получивший причудливое название PSO J318.5-2296. Цифры – это координаты объекта на небе, а PSO – сокращение от Pan-STARRS 1 Object, что значит «объект, обнаруженный телескопом Pan-STARRS 1».

Телескоп Pan-STARRS 1 входит в группу из двух обзорных телескопов (всего планируется четыре), диаметр главного зеркала каждого из которых равен 1,8 м. Комплекс расположен на вершине вулкана Халеакала на острове Мауи, принадлежащем Гавайскому архипелагу. Особенность этих телескопов состоит в том, что они не «смотрят» в одну точку, а охватывают большой участок неба с угловым диаметром около 3° (для сравнения: видимый угловой диаметр Луны приблизительно 0,5°). Несколько раз в месяц с помощью телескопов Pan-STARRS ученые получают изображения неба, и каждое из них состоит из полутора миллиардов пикселей, а общий объем собранных за ночь данных может достигать 10 ТБ. Специальное программное обеспечение анализирует эти изображения, сравнивает их с каталогом неподвижных звезд и ищет те объекты, которые изменили свое положение или яркость.

Основная задача Pan-STARRS состоит в том, чтобы находить на небе астероиды. Если вы следите за астрономическими новостями, то наверняка слышали о первом межзвездном астероиде 1I/Oumuamua, обнаруженном в октябре 2017 года как раз этой системой. Между тем охват большой площади неба и диапазон электромагнитных волн, в котором работает Pan-STARRS, позволяют использовать ее и в других проектах – в частности, для поиска коричневых карликов по характерному тепловому излучению.

Объект PSO J318.5-22, находящийся в 80 св. годах от Земли, впервые привлек внимание ученых в 2010 году своим цветом: значительно более красным, чем у любого ранее известного коричневого карлика. Что более странно, его цветовые характеристики оказались очень близки к тем, что наблюдаются у молодых планет с сильно запыленными атмосферами в протопланетном диске, однако никакой звезды рядом с PSO J318.5-22 нет. В статье 2013 года ученые, обнаружившие этот странный объект, из осторожности даже не употребляли термин «блуждающая планета», а ограничились тем, что рассказали о свойствах нового класса субзвездных объектов. Что именно произошло с PSO J318.5-22 и почему она потеряла свою родительскую звезду – скорее всего, для нас это останется тайной. Но главное, что мы поняли благодаря ее обнаружению, это то, что одиночные блуждающие планеты – вполне реальное явление в Галактике.

Можем ли мы выяснить, откуда родом PSO J318.5-22? Вообще говоря, нам вряд ли когда-нибудь удастся точно определить родительские звезды блуждающих планет. Ведь вместо того чтобы вращаться вокруг звезды, они вращаются вокруг галактического центра сколь угодно далеко от своей родительской звезды. Но в случае с PSO J318.5-22 нам повезло. Рядом с тем местом, где ее обнаружили, находится скопление, известное как движущаяся группа звезд Беты Живописца. Это скопление молодых звезд, названное именем самой яркой звезды в его составе и движущееся с сопоставимой с PSO J318.5-22 скоростью. Логичным представляется предположение, что наша героиня родом из этого скопления. Видимо, она сформировалась рядом с одной из звезд и была выброшена вовне на ранних этапах эволюции протопланетного диска в результате взаимодействия с другой планетой или соседней звездой. Если это действительно так, то сравнение PSO J318.5-22 со звездами Беты Живописца позволяет определить возраст планеты: от 8 до 20 миллионов лет. А благодаря имеющимся в нашем распоряжении моделям эволюции субзвездных объектов можно установить и некоторые физические свойства PSO J318.5-22. Так, ее масса составляет 6–7 MJ (что намного меньше типичных масс красных карликов!), а температура внешних слоев атмосферы приблизительно равна 1 150 °C. Как видите, по всем характеристикам это совсем юный, пока не остывший газовый гигант.

Еще один вопрос, который возникает в связи с обнаружением блуждающих планет, – всегда ли к их появлению приводят планетарные катастрофы? Возможен ли процесс образования планет из межзвездного газа?

Например, что вы скажете о следующей гипотезе? Рассматривая изображения некоторых областей активного звездообразования, можно увидеть небольшие темные пятнышки на фоне излучения туманности. Особенно ими богаты туманности Розетка и IC 1805 (известна также как туманность Сердце). Гёста Гам из Стокгольмской обсерватории в 2007 году предложил называть эти образования глобулеттами. На сегодняшний день найдено уже около тысячи глобулетт в самых разных туманностях. Они представляют собой плотные холодные облака из нейтрального газа. Как правило, глобулетты имеют сферическую форму, их радиус от 300 до 5 000 а. е., а масса вполне сопоставима с массой планет-гигантов или коричневых карликов (от нескольких единиц до нескольких десятков масс Юпитера). Авторы, опубликовавшие в 2007 году статью по результатам исследования таких образований в туманности Розетка, предположили, что из них могут образовываться блуждающие планеты97.