Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Астрономы любят строить телескопы на вершинах вулканов, что непосвященным может показаться странным. Объясняется это просто: например, благодаря сухому и неподвижному воздуху с горных вершин на Гавайях открывается лучший вид на ту часть неба, которая видна в Северном полушарии. Нигде больше в мире нет такого вида. То обстоятельство, что под этими горами бурлят вулканы, кажется небольшим неудобством.

Вулкан Халекала («Дом Солнца») занимает большую часть площади острова Мауи в Гавайском архипелаге. На его вершина размещается телескоп Pan-STARRS с диаметром зеркал 1,8 м. Задача этого аппарата, название которого расшифровывается как «Оперативно развертываемая система телескопов панорамного обзора» (PANoramic Survey Telescope And Rapid Response System), заключается в проведении съемки видимого неба несколько раз в месяц. За столь широкий охват приходится платить меньшим разрешением, чем при наблюдении, направленном на обнаружение чего-то конкретного, но оно отлично подходит для обнаружения движущихся объектов. Анализ быстро проходящих изменений в небе дает возможность обнаруживать астероиды и кометы, которые могут угрожать Земле. Чтобы оценить грандиозный масштаб собираемой с помощью Pan-STARRS базы изображений, достаточно представить, что каждую ночь ее объем увеличивается на величину, сопоставимую с 60 000 фотографий, сделанных на камеру смартфона. Вот в этом-то массиве информации и был найден странный объект.

Pan-STARRS задумывался как инструмент для обнаружения астероидов. Однако колоссальный объем собираемых им данных является ценным ресурсом для многих проектов. Например, он использовался при поиске методом прямого наблюдения так называемых «коричневых карликов», звезд с очень маленькой массой. У этих тусклых объектов не хватает массы для запуска процесса горения водорода в их ядре, но при этом они являются источником характерного слабого теплового излучения в красном диапазоне. Однажды в объектив камер попал объект, который был краснее, чем любой другой известный нам коричневый карлик.

Этот источник нетипичного красного свечения, находившийся на расстоянии 80 световых лет от Земли, получил обозначение PSO J318.5–22. PSO — сокращение от Pan-STARRS1 Object (объект Pan-STARRS1), а цифры указывают на координаты объекта на небе. Сравнение тусклого красного света, излучаемого PSO J318.5–22, со светом, излучаемым известными звездами и планетами, показало, что он намного ближе к свету молодой планеты, чем к свету известных коричневых карликов. А если это действительно планета, каково ее происхождение?

Отсутствие поблизости звезды, вокруг которой планета могла бы обращаться, означало, что PSO J318.5–22 в полном одиночестве свободно перемещается по космическому пространству. Впрочем, неподалеку от блуждающего мира находилось скопление звезд, известное как Бета Живописца. Это часть созвездия Живописец. Группа располагается вблизи PSO J318.5–22, двигается с сопоставимой скоростью и также является молодой. Кроме того, по крайней мере у двух входящих в нее звезд, согласно имеющимся данным, есть гигантские газовые планеты.

Сравнение с возрастом звезд в Бета Живописца показывает, что возраст PSO J318.5–22 составляет приблизительно 12 млн лет. Как известно, протопланетный диск рассеивается приблизительно через 10 млн лет, значит, по меркам планетного мира объект является недавно сформировавшимся юнцом. Его масса приближается к 6 массам Юпитера — намного легче коричневого карлика.

Если говорить о происхождении PSO J318.5–22, вероятнее всего, эта планета сформировалась в окрестностях одной из звезд в системе Бета Живописца. Вытолкнута оттуда она могла быть ближе к концу жизни звезды. Произошло это, скорее всего, при расширении внешних слоев звезды в процессе перехода в стадию красного гиганта. Согласно другой гипотезе, из-за чрезмерной потери массы притяжение звезды не смогло удержать планету на орбите. Однако и PSO J318.5–22, и звезды в системе Бета Живописца молодые. Поэтому более вероятным представляется сценарий, в котором планета была выброшена в результате взаимодействия с другой планетой или соседней звездой. Оказавшись за пределами системы, планета превратилась в блуждающую. Впрочем, каким бы правдоподобным такое объяснение ни казалось, подтвердить его трудно. Можем ли мы утверждать, что именно рассеивание в результате взаимодействия с другими телами является главной причиной превращения планеты в блуждающую?

Планета HD 106906 b не является блуждающей. Она обращается вокруг звезды на расстоянии около 300 световых лет от Земли в созвездии Южный Крест. У нее есть одна особенность, которую трудно объяснить: расстояние между ней и родительской звездой чрезвычайно велико.

HD 106906 b — молодой газовый гигант с массой, равной 11 массам Юпитера. Как и PSO J318.5–22, планета была обнаружена благодаря тепловому свечению — методом прямого наблюдения. Часто, в силу небольшого размера и тусклости планеты, получить ее изображение невозможно из-за перекрывающего ее свечение яркого света звезды. В случае с блуждающими и далекими планетами отсутствие света звезды существенно упрощает этот процесс. К тому же HD 106906 b и PSO J318.5–22 отличаются большой массой и небольшим возрастом и в их телах по-прежнему сохраняется тепло, возникшее при формировании. Возраст HD 106906 b почти такой же, как у PSO J318.5–22: ей 13 млн лет — подросток в мире планет.

Расстояние между HD 106906 b и родительской звездой настолько велико, что по сравнению с ним даже Нептун вполне сойдет за горячий юпитер, — целых 650 а.е., что в Солнечной системе сопоставимо с расстоянием до Седны. Самая дальняя в нашей системе планета Нептун находится всего лишь в 30 а.е. от Солнца. Протопланетный диск на таком расстоянии не может содержать достаточное количество вещества для формирования газового гиганта по моделям аккреции на ядро или неустойчивости диска. Тогда каким же образом планета оказалась там, где она находится сейчас?

Убедительный ответ на этот вопрос можно дать, если допустить, что HD 106906 b — «почти блуждающая» планета. Возможно, она была выброшена на очень далекую орбиту более крупной планетой, но удержалась в сфере влияния своей звезды и продолжила обращаться вокруг нее. Правда, в данном случае ситуацию осложняют два обстоятельства.

Во-первых, HD 106906 b — единственная планета, обнаруженная рядом с ее родительской звездой. Никаких признаков существования другой планеты, которая бы могла вытолкнуть HD 106906 b на дальнюю орбиту, нет. Учитывая, что масса такого «громилы» должна быть сопоставима с массой HD 106906 b, которая тяжелее Юпитера в 11 раз, ее давно бы обнаружили. Звезда-компаньон, которая могла бы заставить планету перейти на другую орбиту, также отсутствует.

Во-вторых, звезда HD 106906 окружена обширным диском, состоящим из обломков. Каменистые остатки процесса планетообразования и заставили наблюдателей обратить внимание на эту систему — никто и не думал, что в ней есть еще и далекая планета. В 2014 г. были проведены наблюдения, которые показали, что диск занимает область приблизительно между 20 а.е. и 120 а.е., то есть он начинается сразу за границей основной зоны формирования планет. Выброшенной планете пришлось бы пробиваться сквозь обломки, составляющие диск.