Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Впрочем, проведенные исследования позволили сделать еще и другой вывод. Хотя у всех самых молодых звезд были диски, только 1% звезд старше 10 млн лет по-прежнему имели тот набор условий, который требуется для формирования планет. Единственное толкование: формирование планет происходит в рамках определенного периода времени.

Исчезновение протопланетного диска может объясняться несколькими причинами. Самое захватывающее объяснение: весь диск превращается в планеты, в результате чего образуется целый хоровод новых миров. К сожалению, наблюдения за нашей Солнечной системой и за известными нам эзкопланетными системами показывают, что общая конечная масса планет составляет лишь 1% от первоначальной массы диска, что заставляет задуматься о том, куда деваются остальные 99%.

Еще одно вероятное объяснение заключается в том, что под действием гравитационных сил диск притягивается к близлежащим звездам, отрываясь от своего солнца. Это процесс действительно может иметь место в некоторых случаях, но он не настолько широко распространен, чтобы им можно было объяснить полное исчезновение всех протопланетных дисков: обычно звезды находятся слишком далеко друг от друга. Поэтому за разрушением диска должны стоять факторы внутреннего порядка, то есть в процессе формирования звезды и дисковой системы последняя разрушает саму себя.

Отчасти в разрушении виновато трение внутри диска. Для наглядности можно представить себе диск в виде следующих друг за другом беговых дорожек вокруг звезды. Газ на внутренней дорожке выбивается вперед, опережая газ на соседней внешней дорожке. В результате трения между дорожками скорость газа на внутренней дорожке уменьшается, а значит, в противостоянии вращения и гравитационных сил протозвезды последние начинают одерживать верх. Увлекаемый вперед газом с внутренней дорожки, газ на внешней дорожке набирает скорость, но одновременно с этим замедляется под влиянием газа с дорожки, которая граничит с ним с другой стороны. По мере уменьшения влияния на диск вращения газ и находящаяся во взвешенном состоянии пыль падают по направлению к звезде.

Этот процесс падения вещества по спирали называют аккрецией. Безусловно, на него можно списать исчезновение определенной части диска. Однако, учитывая, что этот процесс протекает достаточно медленно, вряд ли его можно считать единственной причиной. На разрушение внешних частей дисков путем аккреции потребовалось бы несколько миллиардов лет. Но, как показывают наблюдения, все происходит намного быстрее — приблизительно за 10 млн лет. Еще больше усугубляет ситуацию то обстоятельство, что процесс частичного разрушения диска наблюдается исключительно редко. Это указывает на то, что фактическое время разрушения в 10 раз меньше, а сам процесс, скорее всего, протекает практически одновременно во всем диске. Последний вывод наиболее проблематичен, поскольку, чем ближе к звезде, тем быстрее протекает аккреция, а значит, диск поглощается изнутри. Для этого требуется вторая, более динамичная деструктивная сила. Ее источником выступает сама звезда.

Подобно болезненному взрослению подростка, процесс превращения молодой протозвезды в полноценное солнце протекает весьма бурно. В случае со звездой промежуточной массы, такой, например, как Солнце, этот бунтарский период называют стадией Т Тельца — в честь первой звезды — звезды в созвездии Телец, при наблюдении за которой был зафиксирован этот неловкий момент. Почти как осыпающие родителей оскорблениями подростки, звезды типа Т Тельца являются источником не только губительной радиации в форме высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения, но еще и опаляющих ветров, несущих с собой высокоэнергетические частицы. Сталкиваясь с верхними газовыми слоями диска, они нагревают их. В непосредственной близости от солнца эта бомбардировка энергией приводит лишь к очень сильному нагреванию диска. Однако по мере удаления гравитационное притяжение звезды слабеет, и этой энергии может быть достаточно для того, чтобы газ и малейшие частицы пыли диска могли преодолеть притяжение и ускользнуть в виде ветра. Этот процесс называют фотоиспарением (дословно — «испарением под действием фотонов», то есть частиц излучения). Считается, что именно по его вине разрушается основная часть диска. Вблизи звезды, где сила гравитации достаточно велика, чтобы противостоять фотоиспарению, дело довершает аккреция.

С исчезновением газового диска вокруг звезды продолжают свободно обращаться только планеты и прочие твердые объекты, которые слишком велики, чтобы их унесло вместе с газом. При этом большая часть сохраняющегося в системе газа уже входит в состав планет, где он удерживается гравитационным полем. Поскольку в нашей Солнечной системе существует четыре планеты, огромная часть объема которых приходится на газовую атмосферу, мы знаем, что к моменту разрушения диска формирование планетного окружения должно быть почти завершено. Таким образом, на то, чтобы куча частичек пыли в 10 раз меньше песчинки превратилась в полноценный мир, похожий на место, где однажды может зародиться жизнь, должно уходить приблизительно 10 млн лет.

Пока что у нас есть все основания сомневаться в том, что такое вообще возможно. Более того, можно даже утверждать, что диски, которые мы наблюдаем вокруг молодых звезд, вовсе не материал для образования планет, а всего-навсего пылевые плаценты новорожденных звезд. Проверить эту гипотезу можно, например ответив на вопрос о количестве вещества, которое должно было присутствовать в протопланетном диске Солнца, чтобы из него сформировалась Солнечная система. Если эта величина не имеет ничего общего с массой дисков, наблюдаемых вокруг молодых звезд, то идею о переходе от пыли к планетам придется признать чистейшим вздором.

Если бы мы взялись воспроизвести процесс образования планет, построив модель Солнечной системы из деталей LEGO, нам бы не составило труда определить количество вещества, которое понадобится на начальном этапе. Разобрав конструкцию и подсчитав количество пластиковых деталей, использованных при строительстве планет, мы бы могли точно сказать, сколько элементов требуется для реализации такого проекта. Однако, проделывая ту же операцию с протопланетным диском, мы сталкиваемся с проблемой: патологический клептоман — Солнце — постоянно крадет значительную часть деталей в процессе строительства.

Если разобрать все планеты в Солнечной системе на части и расплющить их так, чтобы они образовали диск, получившаяся в результате этого система окажется богата железом и силикатными соединениями, содержащими кремний, магний, углерод и кислород, а на удаленных от Солнца участках будут в изобилии встречаться обледенелости. За этим стоят более тяжелые элементы, которые быстрее всего конденсировались из газа в твердое состояние, образуя пыль, а затем (как следует из предполагаемого нами механизма) и более крупные куски горной породы и планеты. Более легкие элементы, такие как водород, могли связываться с пылинками, образуя твердые соединения, например лед, или оказывались заперты в атмосферах планет. Однако под действием излучения молодого Солнца диск все-таки потерял большую их часть в результате испарения.