Читать книгу "Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер"

Если изначально «планета Х» была ядром пятого газового гиганта, она могла быть выброшена к краю системы в процессе формирования четырех его газовых собратьев. В этом случае возникает та же проблема, что и при объяснении происхождения Седны и 2012 VP113: вытолкнутая при рассеивании планета должна обращаться по эллиптической орбите, возвращаясь в точку рассеивания. Однако «планета Х» точно не проходит вблизи области, занимаемой газовыми гигантами. Возможно, все дело в сопротивлении газа в протопланетном диске. Если «планета Х» была выброшена до того, как газ улетучился, при движении по своей новой эллиптической траектории ей пришлось бы продираться через вращающийся диск. Учитывая значительную разницу в скорости окружающего газа и самой планеты, на последнюю должна была действовать мощная сила сопротивления. В отличие от небольших Седны и Плутона, «планета Х» должна была обладать такой гравитацией, которой хватило бы, чтобы при взаимодействии с газом ее орбита снова стала круговой, несмотря на удаленность от Солнца.

В отдаленных областях Солнечной системы газ в протопланетном диске должен был быть разреженным. Было ли его достаточно, чтобы вернуть «планету Х» на круговую траекторию? Добиться этого непросто, но у нас есть другой пример, доказывающий, что такая ситуация возможна.

В 2008 г. у молодой звезды HR 8799 были обнаружены три газовых гиганта. Находясь на расстоянии 129 световых лет от нас в созвездии Пегаса, эти планеты сохраняют тепловую энергию, накопившуюся в процессе формирования, и потому отлично видны в инфракрасном диапазоне. Благодаря хорошо различимому спектру излучения они доступны для прямого наблюдения. Таким образом, это первая многопланетная система, обнаруженная методом прямого наблюдения. В течение следующего года к планетному трио добавилась еще одна планета. В итоге мы имеем дело с системой, состоящей из четырех газовых гигантов.

Все четыре собрата представляют собой огромные миры. Их массы в 7–10 раз превышают массу Юпитера, то есть они значительно массивнее любого объекта в Солнечной системе. Кроме того, они обращаются вокруг своей звезды на расстоянии 15–70 а.е., что приблизительно соответствует расстоянию от Урана до областей Солнечной системы, далеко выходящих за пределы пояса Койпера. Но главное не это, а то, что, судя по всему, движутся они по круговым орбитам.

Хотя четыре планеты обращаются ближе к своей звезде, чем Седна и ее соседи, их гигантский размер исключает возможность их формирования в том месте, где они находятся сейчас. Объяснить их происхождение можно несколькими разными способами — от миграции во внешнюю часть планетной системы из богатого материалом внутреннего диска до формирования в результате гравитационной неустойчивости в диске. Согласно еще одной гипотезе, четыре собрата могли быть выброшены на вытянутые орбиты во внешней части системы при взаимодействии с другой планетой. Если при этом молодые планеты по-прежнему находились в протопланетном газовом диске, рассеявшая их планета вполне могла мигрировать во внутреннюю область к звезде, что сделало невозможным дальнейшее взаимодействие. После этого при перемещении по оставшемуся газовому диску эллиптические траектории выброшенных планет постепенно стали круговыми.

Существующие модели формирования круговых орбит показывают, что это возможно. Но они предусматривают ряд ограничений. Во-первых, выброшенная планета, оказавшаяся на вытянутой орбите, должна быть массивной: взаимное притяжение газа и планеты должно быть достаточно сильным, чтобы создаваемое при этом сопротивление достигало необходимой величины. Миры размером с Плутон или Землю просто недостаточно велики, чтобы обеспечить нужную силу притяжения. Поэтому карликовая планета вроде Седны не может быть переведена на круговую траекторию, тогда как планета размером с суперземлю или Нептун вполне может перейти на такую орбиту. Наконец, чтобы обеспечить достаточное сопротивление, протопланетный диск вокруг далеких миров должен оставаться весьма плотным. Если он испарится до момента рассеивания планет, вместе с ним исчезнет и сила, которая способна сформировать круговые орбиты. Оценить вероятность такого сценария не представляется возможным.

Гигантские планеты рядом с HR 8799 подтверждают, что «планета Х» может существовать. Если массивные планеты действительно могут выталкиваться во внешние области планетной системы, а затем переходить на круговые траектории, вполне может оказаться, что в нашей Солнечной системе существует далекий скрытый мир. Надежда найти его заставляет продолжать поиски в окрестностях Солнца.

Прогноз погоды: завтра будет на 1000 °C теплее, чем сегодня

Немногочисленность планет с вытянутыми орбитами в Солнечной системе и отсутствие убедительного объяснения их происхождения заставляют нас предположить, что и в других планетных системах такие траектории вокруг других звезд встречаются также нечасто. Но результаты наблюдений говорят обратное.

Оказалось, что в мире экзопланет преобладают не ровные круговые орбиты, а эллиптические траектории разной степени вытянутости. В непосредственной близости от звезды, в пределах 0,1 а.е., приливные силы, вызванные мощным притяжением звезды, удерживают планеты на круговых орбитах. Но на расстоянии более 1 а.е. (случай Земли) эксцентриситет орбит экзопланет в среднем составляет 0,25, то есть превышает аналогичный показатель любой из планет в Солнечной системе. Причем миры на вытянутых орбитах — это не карлики размером с Седну, вытолкнуть которые не составило бы труда. Нет, эллиптические орбиты с наибольшим эксцентриситетом характерны для массивных миров крупнее Нептуна. Некоторые из них просто поражают воображение.

Один из таких примеров — звезда HD 80606, устроившаяся в районе «передней лапы» в созвездии Большая Медведица. Эта солнцеподобная звезда находится на расстоянии 190 световых лет от нас. Вокруг нее обращается одинокая планета с массой около четырех масс Юпитера и эллиптической орбитой, степень вытянутости которой кажется неправдоподобной. Эксцентриситет орбиты HD 80606 b составляет 0,93 — почти как у кометы Галлея. Уникальность ее не только в том, что для формирования такой орбиты одного толчка точно недостаточно, но и в том, что в ходе наблюдений не удалось обнаружить ни одной другой планеты, от которой бы такой толчок мог исходить. Траектория HD 80606 b настолько вытянута, что в ближайшей к звезде точке расстояние между двумя телами составляет каких-то 0,03 а.е., то есть равно 3% расстояния между Землей и Солнцем и всего лишь в четыре раза превышает размер самой планеты. В самой удаленной точке орбиты расстояние до планеты приближается к расстоянию от Солнца до Земли, достигая 0,88 а.е. Однако даже здесь температура слишком высока для беспрепятственного формирования газового гиганта. Чтобы совершить полный оборот по своей эллиптической петле, HD 80606 b требуется не более трети земного года.

Согласно второму закону Кеплера о движении планет, прямая, проходящая от звезды к планете, всегда описывает равные площади за равные промежутки времени. Для наглядности можно представить себе эту прямую в виде снегоочистителя, для которого установлена суточная квота на уборку снега. При сильно эллиптической орбите прямая между планетой и звездой сжимается, когда планета проходит вблизи звезды. Значит, чтобы убрать столько снега, сколько полагается в рамках квоты, снегоочистителю придется двигаться намного быстрее в течение соответствующих суток. Следуя этой аналогии, ближе к звезде планета движется быстрее, чем вдали от нее.