Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Механизм вмешательства звезд в жизнь планетных систем других звезд независимо друг от друга описали советский ученый Михаил Лидов в 1961 г. и японский астроном Ёсихидэ Козаи в 1962 г. В то время о странных особенностях орбит экзопланет еще не было известно — Лидов занимался изучением орбит естественных и искусственных спутников, а Козаи интересовали астероиды.

Оба ученых занимались изучением систем с двумя движущимися по орбитам крупными небесными телами, вокруг одного из которых вращается спутник значительно меньшего размера. В исследовании Лидова это были Земля, Луна и космический зонд на орбите Земли. В работе Козаи крупными телами были Юпитер и Солнце, меньшим — астероид. Астрономы обнаружили, что орбита спутника (космического зонда или астероида) может быть возмущена вторым крупным телом (Луной или Юпитером). Точнее говоря, маленький спутник может уменьшить наклонение (высоту) над орбитой двух крупных тел в обмен на увеличение эксцентриситета своей орбиты. Это приводит к поочередной смене значений высоты и эксцентриситета орбиты спутника, при которой он переходит с орбиты с большим углом наклонения на сильно вытянутую эллиптическую орбиту и обратно (механизм Козаи — Лидова).

В случае WASP-17 b в роли двух крупных тел механизма Козаи — Лидова выступают звезда, вокруг которой обращается планета, и вторая звезда или даже более массивная планета. Являясь самым маленьким объектом системы, такой компаньон мог влиять на орбиту WASP-17 b.

Подобный сценарий допускает, что WASP-17 b сформировалась на аккуратной, почти круговой орбите за снеговой линией. Постепенно под воздействием гравитации второй звезды высота и эксцентриситет орбиты планеты начали меняться. В определенный момент высота достигла крайнего значения, в котором планета «опрокинулась», начав обращаться в обратную сторону — по ретроградной орбите.

С увеличением эллиптичности орбиты планета движется по новой изогнутой траектории, которая приводит ее ближе к звезде. Гравитационное притяжение звезды увеличивается на отрезке орбиты, когда планета находится вблизи звезды, и уменьшается по мере ее удаления. Периодические изменения воздействия гравитации звезды заставляют планету деформироваться подобно резиновому мячику. Возникает эффект приливного разогрева:

 вследствие перехода энергии деформации в тепло атмосфера WASP-17 b раздувается настолько, что становится больше атмосферы Юпитера. С переходом энергии орбитального движения планеты в тепло она начинает снижаться по спирали к звезде[8]. Это компенсирует действие механизма Козаи — Лидова, и в конечном итоге планета занимает близкую к звезде круговую орбиту, становясь горячим юпитером.

Механизм Козаи — Лидова дает нам второе объяснение процесса формирования горячего юпитера. Но что обычно вызывает миграцию планеты-гиганта — сопротивление газа, притяжение дальней звезды (или более крупной планеты) или планет-планетное рассеяние?

На самом деле все эти факторы могут иметь место. В случае с горячими юпитерами, движущимися по прямым орбитам, в отсутствие очевидного компаньона в виде звезды или массивной планеты вероятен сценарий миграции к центру в результате взаимодействия с газом. В отношении ретроградных планет и планет, обращающихся вокруг двойных звезд, может сработать механизма Козаи — Лидова. Остальные горячие юпитеры выталкиваются к центру в результате взаимодействия с другой планетой, которая либо притаилась где-то далеко, либо, выталкивая соседку к звезде, сама была выброшена за пределы планетной системы.

Эти три возможных сценария указывают на то, что, несмотря на необычность горячих юпитеров, существует несколько вариантов объяснения процесса их формирования.

Продолжающиеся поиски новых планет вокруг звезд за пределами Солнечной системы привели к обнаружению еще одного класса объектов, находящихся в непосредственной близи от своих звезд. Эти новые миры были меньше горячих юпитеров и не походили ни на одну из виденных нами ранее планет.

Глава 6. Мы — отклонение от нормы

Когда двадцать лет назад позиции теорий образования планет пошатнулись в результате открытия 51 Пегаса b, астрономы пришли к одному важному выводу: мы представляем собой отклонение от нормы.

К настоящему моменту вокруг звезд за пределами Солнечной системы обнаружено более 2000 планет. Наблюдения показали, что приблизительно 1% звезд соседствуют с горячим юпитером. Таким образом, несмотря на относительную многочисленность, эти необычно расположенные газовые гиганты все-таки достаточно редки. При этом, если взять обычные звезды, похожие на наше Солнце, окажется, что примерно вокруг половины из них обращаются планеты, аналогов которым в Солнечной системе просто нет.