Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Справедливости ради нужно отметить, что ни в том ни в другом случае речь не шла о появлении или исчезновении миров на орбитах вокруг Солнца. Интрига заключалась в обнаружении множества новых в дальних уголках Солнечной системы.

О существовании пояса из твердых планетных обломков за Нептуном было известно давно. Ранее считалось, что пояс Койпера, который окружает орбиту Плутона, состоит из тел небольшого размера. Однако это представление пришлось пересмотреть, после того как группа исследователей под руководством Брауна открыла Эриду, Макемаке и Хаумею — три объекта, размеры которых были сопоставимы с размером Плутона. Когда Международный астрономический союз (МАС) осознал, что из-за стремительного повышения чувствительности методов наблюдения в скором времени придется добавить к списку планет Солнечной системы тысячи маленьких миров, было решено выделить их в отдельный класс. По этой причине статус Плутона изменился — он был отнесен к карликовым планетам. Компанию ему составили Эрида, Макемаке и Хаумеа.

Помимо практических соображений, связанных с неудобством работы с длинным списком планет, был еще ряд факторов, говоривших в пользу такого пересмотра. Последние находки отличались от всех наших соседей — и от планет земной группы, и от газовых гигантов. В Солнечной системе все планеты — от Меркурия до Нептуна — доминируют в окружающей их части пространства. На орбитах рядом с ними нет объектов сопоставимого размера, за исключением связанных с ними спутников. Иную картину являет Плутон: располагаясь в поясе Койпера, он окружен объектами размером с него и меньше. Такое различие объясняется тем, что в процессе формирования Земля и похожие на нее планеты избавились от близлежащих объектов, сталкиваясь с ними или рассеивая их. Они как бы «расчистили» собственные орбиты. Плутону и другим карликовым планетам расчистить орбиты не удалось, и поэтому окружающее их пространство очень сильно отличается от пространства вокруг более крупных миров.

Еще один пример неочищенного пространства в пределах нашей Солнечной системы — пояс астероидов. Среди составляющих его миллионов каменных глыб удобно устроилась 900-километровая Церера. С момента своего открытия в 1801 г. Церера, как и Плутон, считалась планетой. Когда был обнаружен пояс астероидов, оказалось, что Церера окружена объектами почти такого же размера, как она сама, включая астероиды Паллада, Веста и Гигея, диаметр каждой из которых превышает 440 км. Для сравнения: самый крупный известный нам объект, пересекающий в настоящее время орбиту Земли, — это астероид Ганимед (не путать со спутником Юпитера с таким же названием), диаметр которого около 41 км, то есть в 300 раз меньше земного. Более того, сравнение с Ганимедом не совсем корректно, так как большинство таких объектов в окрестностях Земли сначала сформировались в поясе астероидов и уже потом только оказались заброшены во внутреннюю часть Солнечной системы. Учитывая то, в какой компании она находится, Цереру отнесли к карликовым планетам наряду с Плутоном и крупными транснептуновыми объектами.

Густонаселенные орбиты внешних карликовых планет — не единственное, что отличает их от планет-собратьев. Их траектории движения вокруг Солнца имеют не круговую, а вытянутую, эллиптическую форму и пролегают не в одной плоскости с путями остальных планет, а под углом к ней.

Еще в начале XVII в. Кеплер установил, что планетные орбиты на самом деле эллиптические, а не идеально круглые, как считалось тогда. Степень вытянутости орбит определяется величиной их эксцентриситета. Орбита Земли вокруг Солнца почти круговая — ее эксцентриситет составляет всего лишь 0,01. Эксцентриситет орбиты Марса равен 0,1, а Юпитера — 0,05. Ничего удивительного в этом нет: чтобы процесс образования планет происходил максимально эффективно, планетезимали должны сталкиваться на низких скоростях, поскольку быстрые объекты при ударе чаще всего отскакивают или разлетаются на кусочки. Вероятность медленных столкновений выше между объектами, движущимися на схожих скоростях по коротким круговым орбитам.

В отличие от миров большего размера, Плутон имеет эксцентриситет 0,25, а его орбита наклонена под углом 17° к плоскости эклиптики. Из-за вытянутости траектории движения величина расстояния от Плутона до Солнца изменяется в столь большом диапазоне, что его орбита пересекается с орбитой Нептуна, благодаря чему на 20 лет из 248, которые требуются ему для совершения полного оборота, карликовая планета находится ближе к центру системы. Последний раз это произошло 7 февраля 1979 г., после чего Плутон оставался ближе к Солнцу, чем Нептун, до 11 февраля 1999 года.

Учитывая, что эллиптические траектории плохо подходят для наращивания массы объекта, формирование небесных тел с вытянутыми орбитами вряд ли происходило в тех частях Солнечной системы, где они обращаются сейчас. Скорее всего, на своих нынешних орбитах они оказались в результате взаимодействия с другими объектами. «Это похоже на осмотр места преступления, на работу экспертов, которые изучают расположение брызг крови на стенах, — описывает процесс Стивен Кейн. — Вы знаете, что произошло что-то нехорошее, и вам нужно разобраться в причинах». В случае с Плутоном, Эридой, Макемаке и Хаумеей главные подозреваемые — Нептун и газовые гиганты.

Более близкие объекты в поясе Койпера, такие как Плутон и Хаумеа, находятся в орбитальном резонансе с Нептуном. Орбитальный резонанс между Плутоном и Нептуном — 3:2, то есть за то время, которое требуется Плутону, чтобы совершить два полных оборота вокруг Солнца, Нептун успевает трижды обойти светило. Благодаря этому пересечение орбит двух миров не приводит к их столкновению — они всегда минуют друг друга в одних и тех же (не грозящих столкновением) точках своих орбитальных витков. Хаумеа и Нептун, вероятно, находятся в менее выраженном резонансе 7:12. При таких резонансах орбиты карликовых планет меньшего размера вытянулись и наклонились в результате действия того самого механизма Козаи — Лидова, который привел к формированию горячего юпитера.

Макемаке, которая располагается чуть дальше, не находится в резонансе с Нептуном. Полагают, что ее орбита наклонилась, когда на поздних этапах формирования Солнечной системы планета была выброшена во внешнюю ее часть в результате взаимодействия с газовыми гигантами. Эрида, в свою очередь, обязана своей сильно эллиптической и наклоненной орбитой полученному от Нептуна «пинку», из-за которого ее траектория существенно вытянулась.

Дальше Эриды, за пределами пояса Койпера, влияние Нептуна заканчивается. Еще дальше, далеко-далеко от него располагается облако Оорта, в котором скопление небольших каменистых тел балансирует на границе между гравитацией Солнца и более мощным притяжением Галактики. Между Поясом и Облаком — пустота. Во всяком случае, так принято было считать.

Осенью 2003 г. Майкл Браун, преподававший в Калифорнийском технологическом институте, прочитал студентам лекцию под названием «Край Солнечной системы». Он читал ее уже много лет, каждый раз заканчивая выводом об отсутствии чего-либо за пределами пояса Койпера. По воспоминаниям Брауна, которые можно прочитать в его блоге, в тот год, повторив привычный вывод, он сделал паузу, а потом сказал: «Но я не уверен, что продолжаю верить в это».