Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Пожалуйся мы на эту досадную особенность легких материалов в страховую компанию, нас бы точно обвинили в придумывании небылиц и попросили предоставить доказательства в подтверждение заявленного нами изначального количества. Задача эта не из легких. Единственный способ решить ее — это предположить, что диск формировался из того же газа в области звездообразования, что и Солнце. Тогда у нас появляется точка отсчета для сравнения материала, который должен был там изначально содержаться, а именно само Солнце.

Представим себе игрушечную модель Солнечной системы, сделанную из разноцветных деталей. Теперь представим, что кто-то решил украсть часть кубиков, но при этом этот воришка питает особую страсть к красному. В этом случае после кражи нам бы было намного легче определить, сколько деталей было использовано в процессе строительства. Зная, что при сборке модели было одинаковое количество деталей красного, зеленого и синего цвета, мы могли бы легко подсчитать количество недостающих красных деталей исходя из общего количество деталей других двух цветов. Например, если после разборки модели оказалось, что в ней 100 зеленых, 100 синих и пять красных деталей, было бы логичным предположить, что вор украл 95 красных деталей, а всего на момент начала строительства их было 300.

С помощью этого метода можно определить количество недостающих элементов в протопланетном диске. Поскольку диск и Солнце формировались из одного газового ядра, соотношение элементов в них изначально должно было одинаковым. Подобно красным деталям в нашем примере, диск потерял летучие элементы, но их количество по сравнению с более тяжелыми элементами должно было быть таким же, как в Солнце. Поэтому для оценки изначальной массы диска мы можем дополнить массу диска, состоящего из раздробленных частей планет, массой более легких элементов, используя соотношения между этими элементами в Солнце. При этом мы исходим из допущения, что процесс образования планет из более твердых элементов, которые мы сейчас действительно видим в их составе, в Солнечной системе протекал в идеальных условиях. В реальности часть этой массы была утрачена в период подростковых вспышек характера Солнца на стадии Т Тельца. Тем не менее это дает нам абсолютный минимум массы, необходимый для формирования Солнечной системы. Это значение называют минимальной массой протосолнечной туманности. Оно составляет приблизительно 3% массы Солнца. По совпадению, согласно имеющимся оценкам, примерно такую же массу имеют наблюдаемые диски вокруг молодых звезд.

Есть еще один кусок горной породы, являющийся наглядным свидетельством того, что из протопланетного диска может получиться наполненная планетами солнечная система. Это астероид Итокава. 9 мая 2003 г. Японское агентство аэрокосмических исследований запустило беспилотный космический аппарат, который должен был приземлиться на него.

Астероиды — это обычно куски горной породы размером от нескольких километров до сотен километров, которые встречаются главным образом в пространстве между Марсом и Юпитером. При столкновении астероиды разлетаются на фрагменты, часть которых направляется в сторону Земли и — в случае проникновения в атмосферу нашей планеты — становится метеоритами. Столкнувшись в начале своего существования с другим астероидом, Итокава был вытолкнут на новую орбиту ближе к Земле, что сделало его легкой мишенью для космических аппаратов.

Запущенный японцами аппарат назывался «Хаябуса». Он не только сфотографировал 540-метровый астероид, но и доставил в июне 2010 г. на Землю образцы с поверхности Итокавы. На сделанных в ходе миссии снимках виден объект, формой напоминающий плод арахиса и состоящий из многочисленных фрагментов разного размера. Твердые каменистые фрагменты и гранулы пыли удерживались вместе, образуя нечто рыхлое, под действием гравитационного притяжения Итокавы, которого было недостаточно, чтобы из астероида получился плотный круглый шар. Представление об астероидах как о скоплениях массивных глыб неправильной формы подтверждается данными, полученными в ходе миссий на другие астероиды. Наиболее вероятное объяснение такой морфологии состоит в том, что она является результатом столкновения и слипания видимых кусочков меньшего размера, то есть это на ее примере мы можем наблюдать работу фабрики планет. Результат этой работы — планеты и сохранившийся астероидный мусор, а также пыль, оседающая на «фабричный пол».

Так что в случае с газово-пылевым диском мы действительно имеем дело с самой настоящей фабрикой по производству планет. Именно здесь начался процесс сборки, в ходе которого песчинки пыли превратились в восемь новых миров, размеры которых больше их в 10 000–100 000 млрд раз. Это самый грандиозный процесс строительства во Вселенной, и он протекал вокруг каждой звезды, которую вы видите на ночном небе.

В августе 2013 г. в американском городе Уилмингтон в штате Делавэр появилась небывалых размеров башня из пластиковых деталей LEGO — высотой 34,44 м. Возвели это разноцветное строение ученики 32 местных школ. Сначала школьники собрали сегменты будущей башни. Затем команда строителей при помощи крана соединила их в грандиозную постройку, Она была официально внесена в книгу рекордов Гиннесса: на ее строительство ушло около 500 000 деталей LEGO, башня почти на 2 м превысила прежний рекорд.

Этот проект демонстрирует принцип, действующий во Вселенной миллиарды лет: чтобы построить что-нибудь по-настоящему масштабное, следует начинать с малого, постепенно двигаясь в сторону увеличения. Например, формирование планет Солнечной системы происходило путем слияния микроскопических пылинок, окружающих нашу молодую звезду.

Несмотря на уверенность в том, что все именно так и происходило, планетологам пришлось сначала ответить на два непростых вопроса. Во-первых, было далеко не очевидно, почему собственно частицы пыли удерживаются вместе. Кучу камней, из которой состоит астероид Итокава, удерживало вместе его собственное гравитационное поле. Сила гравитационного притяжения зависит от массы объекта. К примеру, если диаметр такого каменистого тела меньше 1 км, его массы недостаточно, чтобы обеспечить силу, необходимую для удержания составляющих его частей. Результат можно сравнить с попыткой слепить что-нибудь из сухого песка на пляже: стоит убрать руки, как сооружение тут же рассыпается.

Во-вторых, оставалось загадкой, как была достигнута такая скорость протекания процесса, которая обеспечила формирование Солнечной системы до момента уничтожения Солнцем протопланетного газового диска. Наблюдения за протопланетными дисками вокруг молодых звезд показали, что на формирование планет отводится не более 10 млн лет. В рамках этого временного промежутка из пылинок размером в одну десятую песчинки должна сформироваться молодая планета с массой, достаточной для удержания газовой атмосферы, несмотря на рассеивание остальной части диска.

Это похоже на эксперимент, в котором вам дают коробку с кубиками и просят построить из них башню, но, когда вы беретесь за работу, оказывается, что кубики абсолютно гладкие, а коробку нужно вернуть сразу после перерыва на обед.

На Земле даже башню, построенную из рекордного количества кубиков, можно легко измерить в метрах. Во Вселенной все иначе: масштабы строительства там куда больше. Чтобы не оперировать числами умопомрачительной длины, давайте сделаем небольшое отступление и подберем более практичные единицы измерения расстояний, подходящие для исследования Солнечной системы.