Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

В первой главе мы представили себе, как мог выглядеть протопланетный диск в нашей планетной системе: чтобы воссоздать первоначальное пылевое состояние, мы взяли за основу текущее положение планет и разложили их на составляющие в пространстве вокруг орбит. В результате у нас получилась протосолнечная туманность минимальной массы. А что получится, если мы проделаем то же самое с планетными системами, в которых есть суперземли?

Если мысленно раскрошить суперземли, мы получим протопланетный диск и увидим, как в нем должна была распределяться пыль, чтобы образовалось такое скопление планет. К сожалению, представляя наполненный веществом планетообразующий диск, мы сталкиваемся с проблемой. Из-за высокой концентрации пыли, находящейся во взвешенном состоянии в плотном газе, масса внутреннего диска оказывается очень большой. В этом случае должен сработать тот же самый механизм, посредством которого, согласно описанной ранее гипотезе, происходило формирование газовых планет в удаленной от центра системы части диска: внутренний диск должен рассеяться под воздействием собственной избыточной гравитации. Если бы все происходило именно так, то новые планеты походили бы на газовые гиганты и не имели ничего общего с суперземлями. Кроме того, при попытке разложить планетные системы, в состав которых входят суперземли, на мельчайшие частицы мы получаем протопланетные диски очень странной формы. Строение многих из них оказывается настолько необычным, что приходится исключить саму возможность формирования таких дисков вокруг звезды — в противном случае пришлось бы оперировать причудливыми аномалиями вроде постепенного нарастания температуры по мере удаления от звезды.

Таким образом, у нас нет универсальной модели протопланетного диска, в которой бы нашлось место суперземлям. Более вероятным представляется сценарий, в котором необходимая для формирования этих планет масса появляется после образования диска.

Планетная метла

Еще одна гипотеза исходит из предположения о существовании гигантской метлы. Когда вы берете метлу и подметаете пол, у вас получается куча пыли. Пока она равномерно распределена по поверхности пола, слой кажется очень тонким. Но стоит смести ее в одно место, как она тут же превращается в горку приличного размера, для выноса которой потребуется мешок. Существовал ли протопланетный аналог метлы, который мог замести твердые частицы в кучу достаточно большого размера, чтобы образовалась суперземля?

Гипотеза о сгребании каменистых тел позволяет избежать трудностей, связанных с идеей о рождении суперземель в особом протопланетном диске. Сначала формировался диск обычной формы — без порождающей неустойчивость высокой концентрации газово-пылевого материала вблизи от звезды. Затем каменистые твердые тела со всего диска сгребались на орбиты суперземель, обеспечивая быстрый темп формирования этих планет. Поскольку в процессе участвовали только твердые частицы, но не газ, масса внутреннего диска не достигала порога, за которым происходит распад диска на газовые гиганты. Вопрос только в том, что выступило в роли такой метлы. Ответ: горячий юпитер.

На своем пути к звезде в процессе миграции планета размером с Юпитер врезается в самую гущу планетезималей, участвующих в процессе формирования миров земного типа. Многие из каменистых тел будут рассеяны или захвачены притяжением планеты, другие займут резонансные орбиты, обеспечивающие синхронизацию их движения вокруг звезды с движением Юпитера. Став частью устойчивой резонансной структуры, планетезимали второй группы вынуждены следовать к звезде вслед за Юпитером. Со временем их становится все больше, они сбиваются в группы и сталкиваются, образуя мир размером больше любой планеты во внутренней области Солнечной системы. Результат — суперземля, обращающаяся по орбите, которая ближе к звезде, чем орбита горячего юпитера. Описание кажется правдоподобным, но есть ли какие-нибудь свидетельства того, что все так и происходит в действительности?

Глизе 876 — звезда меньше и холоднее нашего Солнца, так называемый красный карлик. Она располагается приблизительно на расстоянии 15 световых лет от нас в созвездии Водолей. В процессе измерения колебаний лучевой скорости звезды были выявлены четыре планеты, самая близкая из которых к звезде была суперземлей с массой, равной почти 7 массам Земли, и периодом обращения всего лишь 2 дня. Чуть дальше, на орбитах с периодами обращения 30 и 60 дней, располагаются два горячих юпитера.