Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Все эти прошедшие, настоящие и будущие, сложные и дорогостоящие миссии по изучению астероидов и комет необходимы для того, чтобы детально, не упустив ничего важного, разобраться, как некогда скопление газа и пыли вокруг непримечательного молодого желтого карлика превратилось в астероиды и планеты и как в конечном итоге на одной из этих планет появилась жизнь. Какие из условий, возникших около Солнца, были уникальными, а какие должны были стать повсеместными? Существует ли хоть что-то, что отличает нашу звездную систему от тех миллиардов других, что мы находим в Галактике?

* * *

Проблема происхождения планетных систем, пожалуй, одна из самых интересных и фундаментальных в астрономии. Первую гипотезу, которую можно назвать научной, предложил французский математик и философ Рене Декарт. Согласно его идее Солнце и все планеты сформировались из гигантского газопылевого вихря. Декарт был современником Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. К тому времени Коперник уже создал гелиоцентрическую модель и опубликовал трактат «О вращении небесных сфер», а вот Ньютон еще не родился и не изложил свою теорию гравитации в «Математических началах натуральной философии»[14]. Так что вихревая гипотеза Декарта вполне вписывалась в научную парадигму того времени, объясняя устройство Солнечной системы без привлечения гравитации. В XVIII веке усилиями Эммануила Сведенборга7, Иммануила Канта8 и Пьера-Симона де Лапласа9 была разработана теория, которая объясняла формирование Солнечной системы как результат вращательной неустойчивости газопылевой туманности. Эта теория хоть и учитывала гравитацию, но и в ней обнаружились недостатки. Например, сегодня нам известно, что в Солнечной системе на долю планет приходится 98 % момента импульса – величины, характеризующей инерцию вращательного движения, тогда как на долю Солнца лишь 2 %. Согласно же теории Сведенборга – Канта – Лапласа должно было быть наоборот.

В 60-х годах XX века советский астроном Виктор Сергеевич Сафронов опубликовал работу «Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет»10, ставшую впоследствии классической. Сафронов смог не только создать теорию, объясняющую особенности строения нашей планетной системы, но и предсказать результаты еще не произведенных наблюдений – например, существование протопланетных газопылевых дисков и их кольцевидную структуру. Его идеи получили продолжение в трудах многих ученых. И все это привело к тому, что уже к концу 1970-х годов небулярная[15] (или аккреционная) теория формирования планет казалась единственно верной, практически завершенной и довольно понятной.

Теория Сафронова объясняет многое из того, что мы видим в Солнечной системе и знаем о ней: разделение планет на относительно маленькие каменистые и огромные газовые, расположение орбит всех планет в одной плоскости – экваториальной плоскости Солнца (ее называют плоскостью эклиптики), одинаковое направление обращения всех планет вокруг Солнца (об исключениях вроде Венеры и Урана выдвигались различные версии), химические и физические свойства планет. В общем, это была отличная теория. Однако же в те времена, когда она создавалась, в распоряжении ученых была лишь одна планетная система для исследования – наша. И казалось логичным предположить, что все планетные системы вокруг других звезд, которые мы когда-либо обнаружим, будут похожи на нее, а процесс формирования планет окажется идентичным тому, что произошел когда-то около Солнца. Такой была старая научная парадигма.

Последние десятилетия принесли нам почти экспоненциальный рост числа открытых внесолнечных планет. Мы обнаружили планетные системы со структурой, совершенно не похожей на нашу. Телескопы, которые мы создали, находят газовых гигантов, расположенных ближе к своим звездам, чем орбита Меркурия к Солнцу. Как они туда попали? Мы находим планеты таких типов, которых нет в Солнечной системе. Как они могли образоваться? Планеты и их характеристики перестали укладываться в старую парадигму. То, что мы раньше считали типичным, оказалось если не уникальным, то все же совсем не типичным. И пришлось создавать новую парадигму. Ее формирование еще далеко от завершения, но кое-что понять нам уже удалось.

Начнем с самого начала – молекулярных облаков. Во Вселенной очень много молекулярного газа, состоящего в основном из водорода (~90 %) и гелия (~10 %) с небольшими примесями других химических элементов. Масса межзвездного газа в Галактике составляет несколько десятков миллиардов масс Солнца. Этот газ не распределен равномерно в галактической плоскости, он собирается в огромные облака. Такие облака могут быть поистине гигантскими – до миллиона масс Солнца – и очень холодными: их средняя температура около –230 °C.

Рисунок 6. Молекулярное облако Барнард 68 в созвездии Змееносца. Изображение получено с помощью 8,2-метрового телескопа «Анту» комплекса VLT в Чили

Некоторые из них выглядят как огромные черные провалы. Когда английский астроном Уильям Гершель увидел их в свой телескоп, он подумал, что эти «дыры в небесах» – разрывы в структуре Галактики11. Сам по себе газ, конечно, прозрачен, но содержащиеся в облаке пылинки, размером всего в несколько микрон, поглощают практически все оптическое излучение, падающее на них, и облако становится абсолютно черным для наблюдателя. Другие туманности в телескопы выглядят совсем иначе. Например, о туманности в созвездии Ориона тот же Гершель в 1774 году писал как о «бесформенном огненном тумане, хаотической материи будущих солнц». Он правильно предположил, что в таких облаках происходит процесс звездообразования.

Пройдет 270 лет со дня рождения Гершеля, когда в космос отправится космический телескоп «Гершель» – самый крупный из когда-либо запущенных в космос инфракрасных телескопов. В 2013 году он завершил свою работу, благодаря ему мы многое узнали о процессе формирования звезд, планет и галактик и получили впечатляющие фотографии далеких облаков газа. Как оказалось, эти облака состоят в основном из молекулярного водорода и гелия, пыли и частиц различных видов льда (в основном водяного). Внутри облака́ имеют неоднородную структуру: газ концентрируется в длинные нитеобразные структуры – филаменты, – которые находятся в постоянном движении.

Типичная масса молекулярного межзвездного облака составляет от миллиона до сотен миллионов масс Солнца, а значит, теоретически каждое из них может породить миллионы звезд. Однако такого большого количества звезд из них не формируется: молекулярные облака являются довольно устойчивыми структурами и не склонны к процессам звездообразования. Их равновесие поддерживает внутреннее давление мощных турбулентных вихрей газа. Турбулентные потоки препятствуют разрушению молекулярных облаков под действием сил гравитации, но в относительно малых масштабах влияние этих потоков не столь велико, и коллапс небольших облаков газа все же происходит – так инициируется процесс образования звезд. Например, если рядом с таким облаком, находящимся на грани коллапса, или внутри него взрывается сверхновая или облако сталкивается с другим облаком, то равновесие может быть нарушено.