Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Таким образом, сами планеты стали подозреваемыми. Несмотря на очевидную разницу в размерах при сравнении со звездой, миры столь колоссальных масс вполне могут спровоцировать мощный гравитационный толчок. Не сталкиваемся ли мы с той же ситуацией, что и в случае с двумя карликовыми планетами и далекими газовыми гигантами вокруг звезды HR 8799? Правда, в данном случае результатом стало не рассеивание планет, а хаос их орбит.

Чтобы набрать свои огромные массы, планеты должны были зародиться в протопланетном диске на орбитах, близких к круговым. Кроме того, являясь газовыми гигантами, они должны были формироваться намного дальше к краю системы, чем та область, где они находятся сейчас. В противном случае, они бы не смогли быстро обрасти массой за счет льдов. Таким образом, ранние этапы формирования этой системы должны были походить на историю нашей Солнечной системы, то есть массивные планеты там имели небольшие значения эксцентриситета и наклонения и находились на большом расстоянии от звезды.

По мере роста массы планеты должны были начать миграцию по направлению к звезде. Когда они приблизились к той области, где находятся сейчас, газовый диск рассеялся, и миграция остановилась. С исчезновением газа исчезли и силы сопротивления, поддерживавшие круговые орбиты планет. В итоге планеты оказались подвержены влиянию сил притяжения со стороны своих близких собратьев-гигантов. Хотя мы не можем знать наверняка, что произошло потом, весьма вероятно, что планету d, словно машинку на детском автодроме, подтолкнул какой-то другой объект.

Подтолкнувшей ее «машинкой» могла стать еще одна планета, которая первоначально входила в состав системы. В результате взаимного притяжения планета d и этот предполагаемый мир начали двигаться с большей скоростью по направлению друг к другу. При этом планета d перешла на более вытянутую орбиту, а нарушитель ее покоя оказался катапультирован за пределы системы.

Сойдя с ровной круговой орбиты, планета d начала притягивать планету c, что со временем привело к изменению орбиты соседа. Любопытно, что орбита планеты c не фиксированная: в процессе постоянного взаимодействия с планетой d она то возвращается на круговую траекторию, то переходит на вытянутую, наклоненную орбиту. Продолжительность такого цикла смены орбит составляет приблизительно 10 000 лет.

Такая игра в гравитационный пинбол, в котором соперники — это планеты, позволяет нам лучше понять процесс планетообразования: сформировавшись, планетные системы не застывают навечно. Подобно участникам телевизионного реалити-шоу, покидающим его по результатам голосования, некоторые планеты могут быть выброшены из системы при взаимодействии с другими ее компонентами.

Наличие сильно вытянутых орбит у четверти экзопланет позволяет с уверенностью утверждать, что излюбленной забавой в окрестностях звезд является гравитационный пинбол. Переход на эллиптическую траекторию приводит к резкой смене сезонов на поверхности планеты, как, например, на HD 80606 b с ее сильнейшими колебаниями температуры. Означает ли это, что на надежде отыскать землеподобный мир с умеренными условиями среды на поверхности можно поставить крест? Благодаря своей почти круговой орбите Земля получает примерно постоянное количество тепла от Солнца. Если бы наша планета оказалась выброшена на более выраженную эллиптическую орбиту, она бы превратилась в мир с испепеляющим летом, как на Меркурии, и ледяной зимой, как на Марсе. Вероятность развития жизни в таком мире была бы намного ниже.

Но, несмотря на многочисленность экзопланет с вытянутыми орбитами, для землеподобных миров не все еще потеряно. Благодаря меньшей массе и гравитации они намного реже принимают участие в планетном пинболе. Как показывают наблюдения за экзопланетами с радиусами около 2,5 радиусов Земли, чаще всего они движутся по круговым орбитам с незначительным эксцентриситетом. И хотя пока у нас не так много примеров подобных некрупных миров, сам факт их существования указывает на то, что комфортная круговая орбита нашей планеты не является исключением.

Что случилось с пятой планетой в системе Ипсилон Андромеды A? Оказавшись за пределами сферы влияния своей звезды, она сошла с привычной орбиты и превратилась в свободного отшельника.

Всякий, кто решает описать историю нашей Солнечной системы, сталкивается с одной проблемой: чтобы пазл сложился, приходится допустить потерю одной планеты. Когда под воздействием излучаемого молодым Солнцем тепла испарились последние остатки протопланетного диска, сопротивление газа движению планет прекратилось. Как мы уже видели, на этом их скитания не закончились. Под градом планетезималей орбиты газовых гигантов начали смещаться и пересекаться. В условиях наступившего гравитационного хаоса Уран и Нептун были выброшены на задворки, а Солнечную систему заполонили обломки горных пород.

Несмотря на наличие свидетельств этой бурной планетной юности, таких, например, как изрытая кратерами поверхность Луны, восстановить точную картину, как это ни странно, весьма трудно. Трудность эта связана со своенравием Юпитера, который вел себя как гигантский «громила». При попытке смоделировать движение планет в ту эпоху выясняется, что из-за колоссальной гравитации этого великана один из его соседей должен был вылететь во внешнее пространство, и в планетной системе должно было стать на одного газового гиганта меньше. Что, если все так и было на самом деле?

Оказывается, что виртуальные модели, исходящие из того, что газовых гигантов изначально было пять, более точно и убедительно воспроизводят эволюцию Солнечной системы, чем модели с четырьмя имеющимися гигантскими мирами. Согласно этим моделям, пятая планета могла сформироваться сразу за Сатурном. Размером она была схожа с двумя ледяными мирами — Ураном и Нептуном. Когда началась хаотичная перетасовка планет, этот пятый мир оказался слишком близко к Юпитеру, который безжалостно вытолкнул его из Солнечной системы. После этого тот утратил всякую связь с нашим Солнцем, и потому мы никогда не узнаем наверняка, был ли в Солнечной системе пятый газовый гигант. Оказавшись в межзвездном космическом пространстве, планета стала блуждающей.

Два самых эффективных способа охоты на планеты — метод лучевых скоростей, состоящий в поиске заметных колебаний в движении звезды, и транзитный метод, заключающийся в обнаружении падения яркости звезды. Недостаток обоих в том, что у планеты должна быть звезда. Блуждающая планета — это мир-сирота, который не обращается вокруг звезды. Поэтому нет никакого регулярно, периодически повторяющегося явления, которое бы указывало, подобно маяку, наличие этих бездомных бродяг в нашей Галактике. Искать их приходится с помощью двух оставшихся способов — гравитационного микролинзирования и прямого наблюдения.