Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Чтобы набрать достаточную массу для захвата характерной для газового гиганта колоссальной атмосферы, планета должна формироваться за снеговой линией, где она будет увеличиваться в объеме за счет замерзших льдов. При этом она должна располагаться настолько далеко от звезды, чтобы во власти ее гравитации была достаточно большая область, обеспечивающая доступ к большому количеству планетезималей (в терминах главы 2, ее сфера Хилла должна быть большой). При формировании в результате неустойчивости диска планета должна располагаться еще дальше — за снеговой линией. Но 51 Пегаса b находилась так близко к своему светилу, что не просто не могла стать газовым гигантов. Более того, в условиях высоких температур, неизбежных при таком расположении, образование массивного твердого тела невозможно в принципе.

Еще более усугубило ситуацию то, что, как оказалось, 51 Пегаса b не была единичной аномалией. По мере того как число выявленных экзопланет росло, среди них обнаруживались все новые газовые гиганты, прижавшиеся к своим звездам.

Справедливости ради отметим, что практиковавшиеся методы наблюдения были нацелены скорее на обнаружение как раз таких горячих юпитеров, чем планет, похожих на Землю. В силу своей массивности и близости к звезде эти огромные миры вызывают максимальные колебания ее лучевой скорости. При коротком периоде обращения они напоминают о своем существовании каждые несколько дней. То есть горячие юпитеры стали легкой добычей для охотников за экзопланетами. Однако признание этого факта не означает, что они не существуют. Позже было подсчитано, что приблизительно 1% звезд соседствуют с собственным горячим юпитером. Теория образования планет без них невозможна.

Логически объяснить их существование можно было только одним способом: если такая планета не могла сформироваться там, где она находилась, она должна была появиться на свет в другом месте, дальше от звезды, а затем переместиться в текущее местоположение.

Предположение о том, что орбиты планет могут изменяться, не было новым. Такая гипотеза выдвигалась еще в 1980-е годы. Впрочем, ее сразу отвергли: если причины, по которым планета может начать смещаться, еще были понятны, то объяснить, что может заставить ее остановиться, было невозможно.

Планетная миграция происходит, когда гравитация растущей планеты начинает все сильнее притягивать окружающий газ из протопланетного диска. Газ сопротивляется. При этом газ внутри орбиты, вращающийся быстрее, тянет планету вперед, а газ с внешней стороны орбиты, находящийся дальше в диске и вращающийся медленнее, влечет ее назад, тормозя движение. Поскольку планета не испытывает воздействие давления газа, газ в непосредственной близости от ее поверхности также становится фактором замедления. В результате тяга в обратном направлении оказывается сильнее, планета теряет энергию и перемещается ближе к звезде.

Мы упоминали это движение в главе 4, когда рассматривали процесс формирования газовых гигантов. Прочесывание протопланетного диска обеспечивает быстрый рост за счет слипания с планетезималями. Но, к сожалению, для планеты все может закончиться весьма печально.

Расчеты скорости миграции планеты к центру системы приводят к неутешительному выводу: уже через 100 000 лет зародыш газового гиганта, начавший миграцию оттуда, где сейчас находится Юпитер, ждет гибель при столкновении со звездой. Это намного меньше, чем время, которое требуется, чтобы диск рассеялся, и планета перестала замедляться из-за сопротивления газа. Как только планета достигает размеров Марса, ее гравитации уже достаточно для начала миграции, что ставит под сомнение саму возможность формирования планет.

Это уже второй раз, когда из-за сопротивления газа будущие новые миры на конвейере фабрики планет почти брошены в пекло звезды. В первый раз жертвами были некрупные планетезимали, имеющие дело с сопротивлением движущегося с меньшей скоростью газа. Когда планетезимали вырастают в зародыши планет, это сопротивление перестает влиять на их более массивные тела. Но по мере дальнейшего увеличения массы и превращения небесного тела в маленькую планету, его гравитация начинает притягивать газ, и вновь возникают пугающе мощные силы торможения.

Поначалу идея миграции планет была отвергнута, поскольку противоречила очевидному факту существования нашей Солнечной системы. Но с открытием горячих юпитеров у нее появился второй шанс. Однако могла ли планета, начав мигрировать, остановиться и не быть поглощенной звездой?

Если сопротивление газа приводит к изменению орбиты планеты, то притяжение планеты делает то же самое с газом. Газ, движущийся с меньшей скоростью, получает ускорение и выталкивается вовне, тогда как газ, движущийся с большой скоростью, замедляется и направляется по спирали вниз. В итоге газ покидает пространство вокруг планеты. При небольшом размере планеты место перемещенного материала занимает свежий газ, однако в какой-то момент гравитация планеты становится такой сильной, что она выталкивает весь газ, создавая разрыв в протопланетном диске.