Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Еще через 10 лет новые наблюдения за γ Цефея показали, что в действительности двойная орбита в два раза длиннее, чем считалось, а бóльшая из двух звезд еще не превратилась в своевольного гиганта. Все сомнения развеялись, и в 2003 г. было объявлено об обнаружении газового гиганта с массой, равной 3–16 массам Юпитера (в зависимости от неизвестного угла наклона орбиты), обращающейся вокруг звезды большего размера по орбите с периодом 2,48 года на расстоянии немногим более 2 а.е. Если бы о находке заявили в 1988 г., она бы стала первой открытой внесолнечной планетой. Тем не менее ее открытие положило начало использованию метода, позволившего впоследствии обнаружить тысячи других миров.

Если бы γ Цефея была одиночной звездой, скорее всего, к признакам, указывающим на вращающуюся вокруг нее планету, отнеслись более серьезно. Но действительно ли наличие звезды-компаньона является негативным фактором для формирования планет?

В созвездии Телец существует несколько сотен новорожденных звезд, окруженных газовыми облаками так называемого комплекса Тельца–Возничего. Чтобы рядом с любой из этих звезд возрастом всего 1–2 млн лет образовались планеты, она должна быть окружена пылевым протопланетным диском. Анализ данных по 23 молодым звездам, обращающимся вокруг по крайней мере одного звездного компаньона, показал, что приблизительно у трети из них имеется диск. Это значит, что вокруг них диски формируются в два раза реже, чем вокруг одиночных звезд. Оказалось, что наличие звезды-компаньона отрицательно сказывается на процессе планетообразования еще до начала формирования планет.

Степень влияния зависит от расстояния между звездами. Если оно меньше 30 а.е., протопланетные диски практически отсутствуют, за исключением немногочисленных случаев, когда диски окружают обе звезды. И наоборот, при расстоянии более 300 а.е. влияние звезды-компаньона на частоту формирования диска, судя по всему, сходит на нет. В промежутке между этими двумя расстояниями диски встречаются реже, чем при наблюдении за одиночными звездами, что свидетельствует об их рассеивании под влиянием звезды-компаньона.

Но если звезда-компаньон препятствует образованию протопланетного диска, то уж на процессе формирования и роста планет ее влияние должно сказываться еще сильнее. В ходе изучения звезд с помощью телескопа «Кеплер» было установлено, что для исключения негативного влияния компаньонов на формирование планет расстояние между звездами должно составлять не менее 1500 а.е. Это не значит, что при меньшем расстоянии мы не обнаружим планет — они, конечно, встречаются, но намного реже, чем вокруг одиночных звезд.

Каким образом звезда-компаньон препятствует возникновению планеты? Протопланетный диск, формирующийся вокруг молодой звезды в двойной системе, подвергается действию силы притяжения звезды-компаньона. В результате диск деформируется, вытягиваясь в сторону второй звезды в виде выступа. Так как скорость вращения диска выше скорости движения по двойной орбите, выступ обгоняет звезду-компаньона. Гравитация компаньона тянет его назад, создавая сопротивление, под действием которого диск замедляется. Как и при планетной миграции, из-за падения скорости газ и пыль устремляются к центру, и диск сжимается. В результате происходит приливное усечение диска звездой-компаньоном. Аналогичный эффект торможения имеет место на Земле из-за вызванных Луной приливных выступов. В результате вращение Земли слегка замедляется. Чтобы учесть это замедление, время от времени в наш календарь приходится добавлять дополнительную секунду.

Из-за усечения протопланетного диска времени на формирование планет остается все меньше и меньше. Чем компактнее диск, тем ближе он к испепеляющему жару звезды и тем быстрее происходит его аккреция. Этим объясняется то обстоятельство, что протопланетные диски вокруг двойных звезд видны в течение более короткого времени, чем диски вокруг одиночных звезд. Близость второй звезды также приводит к повышению температуры диска, затрудняя конденсацию пыли и тем самым уменьшая количество материала для строительства планет.

В тех протопланетных дисках, которым все-таки удается выжить, звезда-компаньон может оказывать губительное воздействие на планетезимали. При обращении звезд в двойной системе по взаимным орбитам вторая звезда может притягивать формирующиеся планетезимали, заставляя их переходить на эллиптические траектории и, подобно гироскопу, совершать прецессионное движение вокруг своей звезды. Из-за изогнутых траекторий скорость столкновений существенно вырастает, что приводит не столько к слипанию, сколько к фрагментации частиц. Таким образом, темпы роста планетезималей и формирования зародышей планет снижаются.

Обилие негативных факторов заставляло задуматься о самой возможности существования планет рядом со звездой γ Цефея. Более всего исследователей беспокоил вопрос о наличии в усеченном диске достаточного количества газа для формирования юпитероподобной планеты-гиганта. Если его там было недостаточно, то, скорее всего, при наблюдении была допущена ошибка. Впрочем, как показывали расчеты, после усечения в диске должно было быть ровно столько вещества, сколько требуется для формирования планеты. На второго газового гиганта его бы вряд ли хватило.

Тот факт, что планета рядом с γ Цефея является газовым гигантом, также может объяснить, почему протопланетный диск рассеялся так быстро. Если диск был достаточно массивным, планета могла образоваться в результате возникшей в нем неустойчивости, избежав проблем, связанных с разрушительными столкновениями на высоких скоростях. В двойной системе неустойчивость развивается даже чаще, так как вероятность фрагментации в более массивном и плотном диске выше, а значит, под действием притяжения звезды-компаньона могут появиться условия для возникновения неустойчивости.

Однако стоит только исследователям выработать убедительную теорию формирования планет у двойных звезд, как появляется какая-нибудь новая планета, которая не укладывается в нее, и все приходится начинать сначала. В данном случае такой планетой стал объект с замысловатым названием OGLE-2013-BLG-0341L B b.

Планета OGLE-2013-BLG-0341L B b примечательна не только своим названием, которое длиннее, чем у любого другого объекта, встретившегося нам на страницах этой книги, но также и тем, что найдена она была с помощью абсолютно иного метода. Главную роль в обнаружении этой планеты сыграли не колебания скорости звезды или падение ее яркости, а гравитационное отклонение света.

Мало кто из нас задумывается о воздействии гравитации на свет. Эйнштейн был убежден, что лучи должны следовать кривизне пространства, создаваемой массивными объектами[21]. В качестве аналогии можно привести траекторию движения теннисного мячика, который быстро катится по пластине, продавленной мячом для боулинга, огибая тяжелый объект. Свет ведет себя точно так же. Впервые эту теорию удалось проверить во время полного солнечного затмения в 1919 г. Тогда британскому физику Артуру Эддингтону пришла в голову интересная мысль: он решил использовать короткий период, когда Луна перекрывает солнечный свет, чтобы проверить, отклоняется ли свет от других звезд под действием солнечной гравитации. Если свет от звезд отклоняется, тогда во время солнечного затмения звезды должны быть видны немного не там, где они находятся в ночное время, когда Солнца на небе нет.