Как формируются экзопланеты

Астрофизик Дидье Кело о протопланетных дисках, температурном балансе в Солнечной системе и движении экзопланет

Структура Солнечной системы поразительна: внутри маленькие планеты земного типа, а снаружи — ледяные гиганты. Очень важно понимать процесс формирования Солнечной системы: знание о нем используют, чтобы разработать полную теорию образования планет.

Когда звезда начинает формироваться, вокруг нее присутствует много вещества, организованного в форме диска — его называют протопланетным диском. Он образуется из-за работы закона сохранения углового момента, который гласит, что, когда вращающийся объект начинает сжиматься, вращение ускоряется. При этом вещество падает на диск, и мы получаем вращающийся диск. Так и произошло в начале формирования Солнечной системы, и существует множество изображений молодых звезд, где видны такие диски. Все сходятся на том, что это начальная точка формирования планет.

Дальше в дисках начинают происходить не менее интересные процессы. Итак, есть звезда, и есть диск, большую часть которого составляет газ, как и в случае звезды, — как правило, водород и гелий с примесью углекислого газа. Все остальное — это небольшое количество силикатов, которые мы называем пылью. Таков состав протопланетного диска. Все это вещество начинает в нем соединяться, однако гравитации еще нет, и частицы просто встречаются и постепенно объединяются.

Типы экзопланет

Если мы обратим внимание на температуру в диске, станет ясно, что чем ближе к звезде, тем выше она будет, а в самых далеких областях, наоборот, очень холодно. Можно вычислить определенную область, после выхода из которой вода станет газом или, наоборот, льдом, если отдалится от звезды. Эта зона, в которой меняется состояние вещества, называется снеговой линией. В Солнечной системе она пролегает чуть дальше Марса.

В нашей планетарной системе, в тех частях протопланетного диска, которые расположены ближе к наружному краю, было много льда, вследствие чего образовались твердые ядра. Мы называем их протопланетами. Когда в них начинает действовать гравитация, протопланеты взаимодействуют друг с другом и строят большие ядра. Этот процесс происходит быстро, так что вскоре протопланета начинает притягивать окружающий газ, что происходит до того, как газ исчезает. Планеты наподобие Юпитера или Сатурна образуются очень быстро. Если процесс будет происходить слишком медленно, газ исчезнет, поскольку он крайне нестабилен. Примерно через 20 миллионов лет, когда звезда еще молода, газ около звезды уже полностью исчезнет: льда там нет, планеты формируются слишком медленно, и они недостаточно крупные, чтобы притянуть газ.

Это новая теория, автором которой является русский физик Сергей Сафронов. Он первым предложил данную идею, описывающую формирование планет. Его теория дает нам возможность понять, почему в Солнечной системе малые планеты располагаются внутри, а большие — снаружи. Представьте себе наше удивление, когда первая открытая нами экзопланета, вращающаяся вокруг другой звезды, по размерам оказалась похожей на Юпитер, но находилась гораздо ближе к своей звезде. Теория Сафронова никак не позволяет объяснить появление около звезды такого гиганта. Как может сформироваться огромная планета, которая притягивала бы к себе газ, когда она находится так близко к звезде? Ведь на таком расстоянии льда нет, он просто-напросто плавится и испаряется.

Это стало большим открытием, поскольку первая же обнаруженная нами экзопланета показала, что наша теория неверна или неполна. Для Солнечной системы она, возможно, работает, но для других — нет. То, что мы обнаружили множество гигантских планет очень близко от своих звезд, подсказывает, что теория, которую мы используем для описания Солнечной системы, только одна из многих, и она должна быть намного более сложной. Что же мы упускаем из виду?

На самом деле много факторов. Первый состоит в том, что все эти процессы происходят в протопланетном диске, и стоит обратить внимание на то, как планета в нем формируется. Она образует гравитационную волну, которая распространяется по диску, и в нем возникают чуть более плотные области. Некоторые части диска становятся более массивными и ударяются о планету — таким образом планета и диск будут взаимодействовать гравитационно.

Этого достаточно, чтобы сместить орбиту планеты. Данный механизм известен как теория миграции планет. Небесное тело не остается в том месте, где оно сформировалось. Проблема состоит в том, что чем ближе мы подходим к звезде, тем быстрее становится миграция, и в какой-то момент нужно будет остановиться, иначе планета упадет на звезду. Нам нужно добавить еще один тормозной механизм, который должен быть связан с магнитным полем звезды. Когда мы подбираемся ближе к звезде, то начинаем испытывать влияние ее магнитных полей, и это замедляет нас — так работает, например, магнитный тормоз для луча света. Кроме того, рядом со звездой нет никакого диска: там слишком жарко, так что, возможно, эта теория около звезды больше не работает. Она только дает нам возможность объяснить часть наблюдаемых нами явлений.

Но это еще не все. Мы знаем, что планеты рождаются не поодиночке, а целыми системами, все они общаются между собой посредством гравитации. Они могут быть нестабильны: одна может сдвигать другую, а та — третью. Их взаимодействие может быть крайне драматичным, когда, например, сперва у нас есть полноценная система, а в конечном счете две планеты выбрасываются из системы, еще одна падает на звезду, а остается всего одна или две. Еще хуже, когда неподалеку есть еще одна звезда, которая оказывает влияние на систему: она будет ее немного встряхивать.

Это значит, что существует множество способов перемещения планет. Самое главное, что мы уяснили после открытия экзопланет, — это то, что, когда планета формируется, она не остается на месте, а перемещается. И это также повлияло на наше понимание Солнечной системы, так как спустя пару лет после обнаружения первой экзопланеты ученые начали задумываться о том, что, возможно, Солнечная система сформировалась не такой, какая она есть сейчас, а, возможно, планеты образовались в других местах и впоследствии переместились. Существует также теория «поздней тяжелой бомбардировки», которая гласит, что из-за смещения положения планет появилось множество смертельно опасных астероидов, упавших на Землю.

Формирование планет можно сравнить с прогнозом погоды: в целом мы имеем представление, что зимой будет холодно, а летом жарко, но очень трудно точно сказать, какой будет погода завтра, или через неделю, или через любой другой промежуток времени, поскольку на это влияет множество параметров. Это основной урок, который мы усвоили: во Вселенной не только множество планет, но и множество способов их образования. И возникает вопрос: а насколько мы уникальны? Насколько уникальна наша Солнечная система? Вот почему мы ищем другие планеты и хотим понять, как они формируются: чтобы узнать, насколько исключительна Земля.

Это перевод материала нашего англоязычного издания Serious Science. Послушать оригинальную версию лекции Дидье Кело можно по ссылке. За перевод благодарим Ирину Линеву.

Источник: postnauka.ru