Текст книги "Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли"

Глава 3
Вся проблема в газе

Даже если cкопление крупных осколков горной породы, движущихся по орбите вокруг звезды, и является отличной основой для процесса планетообразования, этому множеству камней еще очень далеко до планеты. Чего ему не хватает, так это верхнего газового слоя в виде атмосферы.

В самом начале своего существования наши планеты были крошечными пылинками во власти газового диска. Увлекаемые потоком газа, эти твердые частички постоянно рисковали угодить в гибельные объятия Солнца, пока не вырастали настолько, чтобы преодолевать сопротивление газа.

Когда они достигали размера зародыша планеты, происходила смена ролей с точностью до наоборот: теперь уже газ рисковал оказаться в ловушке их гравитационного притяжения. Будучи ограничен в перемещениях пространством в непосредственной близости от зародыша, газ обволакивает каменистое ядро, образуя первую примитивную атмосферу.

Подобно твердым частицам в протопланетном диске, газ не только обращается по орбите вокруг звезды, он еще и совершает хаотическое движение. Скорость этого движения определяется температурой. Именно это заставляет раздуваться шар с горячим воздухом: при нагревании скорость газа увеличивается, и молекулы ударяются о ткань оболочки сильнее, заставляя шар расширяться. Когда скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения зародыша планеты, становится выше скорости хаотического движения, газ оказывается заперт и образует атмосферу.

С ее появлением растущему зародышу планеты становится проще сгребать планетезимали меньшего размера. Входя в атмосферу, каменистые тела испытывают сопротивление, похожее на сопротивление воздуха при падении парашютиста. Теряя скорость, планетезималь легче притягивается к поверхности зародыша планеты и слипается с ядром при столкновении с ним.

При торможении планетезималей также выделяется тепло. Как и в случае с метеорами, которые в атмосфере Земли превращаются в раскаленные «падающие звезды», спускающиеся к поверхности планетезимали нагреваются по мере вынужденного замедления. Эта энергия разогревает атмосферу и ускоряет хаотическое движение молекул газа. Хотя этого ускорения обычно недостаточно, чтобы высвободить атмосферу из гравитационных тисков зародыша планеты, оно обеспечивает стабилизацию газа относительно гравитационного притяжения и не дает ему сжиматься. Когда гравитация уравновешивается нагревом газа, атмосфера и не расширяется, и не сжимается. Это состояние стабильности называют гидростатическим равновесием.

По мере роста зародыша планеты за счет аккреции планетезималей его гравитационное притяжение увеличивается. В результате гидростатическое равновесие на время нарушается, а атмосфера притягивается ближе к планете. Сжимаясь, газ нагревается и снова уравновешивает гравитационное притяжение, вновь достигая стабильного состояния. Вследствие расширения сферы действия гравитационных сил и высвобождения места в результате сжатия газа толща атмосферы увеличивается за счет проникновения в нее нового газа.

Атмосфера, захваченная зародышем планеты с массой, составляющей одну десятую массы Земли (предполагается, что именно такой зародыш находился в то время там, где сейчас располагается Земля), всегда намного меньше массы твердого вещества планеты. Таким образом, газовый верхний слой способствует росту зародыша планеты, но не оказывает решающего влияния на эволюцию планеты. Стоит, однако, отдалиться от Солнца и заглянуть за снеговую линию, как перед нами предстает совершенно другая картина.

Гиганты из газа

В меньшей степени подвергаясь воздействию гравитационного притяжения Солнца, более крупные ядра в пространстве вокруг текущего положения Юпитера способны удерживать атмосферы существенно большего размера – настолько большие, что тепла, выделяемого при проникновении в них планетезималей, недостаточно для изменения массы газа.

Вопрос о том, когда именно это происходит, до сих пор вызывает споры. Принято считать, что полное равновесие может сохраняться до тех пор, пока масса атмосферы не сравняется с массой твердого ядра зародыша планеты. Однако масса может быть и меньшей, если мы учтем частичное испарение в атмосфере проникающих извне планетезималей на их пути к поверхности зародыша планеты, в результате которого испарившийся материал попадает в газ. Более тяжелые элементы, образующие лед и горные породы в составе планетезимали, выступают в роли хладагентов, обеспечивая быстрое снижение температуры газа. Это приводит к замедлению движения газа и нарушению баланса в пользу гравитации.

Как только атмосфера достигает этого критического размера, равновесие между движением газа и гравитационными силами становится невозможным. Более того, совокупная масса зародыша планеты и атмосферы создает гравитационную силу, которая подавляет движение газа. Гидростатическое равновесие нарушается, и атмосфера неуклонно сжимается.

Благодаря уплотнению атмосферы по направлению к поверхности гравитационное притяжение зародыша планеты обеспечивает втягивание из диска свежего газа. Став частью атмосферы, он также начинает сжиматься. Новый газ увеличивает совокупную массу зародыша планеты, обеспечивая расширение сферы действия гравитационных сил, а значит, и втягивание еще большего количества газа в атмосферу. Это запускает еще один стремительно набирающий обороты процесс, в ходе которого атмосфера зародыша планеты начинает расширяться со все большей и большей скоростью. В результате образуется массивная атмосфера глубиной в тысячи километров и рождается газовый гигант.

Существует два сценария развития событий, при которых возможна остановка процесса наращивания атмосферы. В первом атмосфера продолжает расширяться до тех пор, пока не исчезнет газовый диск. Когда под воздействием излучения звезды диск начинает рассеиваться, объем окружающего планету газа также начинает сокращаться. По истечении 10 млн лет диск исчезает, и планеты остаются с теми атмосферами, которые они успели аккумулировать.

Этот вариант, безусловно, правдоподобен, так как планета не может наращивать атмосферу при исчерпании доступного ей запаса газа. Скорее всего, этот сценарий был основным при формировании самых дальних газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Учитывая, что процесс формирования Урана и Нептуна проходил на таком значительном удалении от Солнца, у них было не так много доступного для поглощения твердого материала и газа, а значит, темпы образования зародышей этих планет должны были быть низкими. Поэтому вполне вероятно, что процесс формирования их атмосфер продолжался вплоть до момента, когда излучение Солнца заставило испариться остатки газа.

Здесь следует сделать небольшое уточнение: на самом деле Уран и Нептун располагаются настолько далеко от Солнца, что вряд ли они формировались именно там, где находятся сейчас. Если исходить из количества времени, которое бы потребовалось для образования планет их размера, газовый диск должен был исчезнуть прежде, чем у них бы смогла появиться атмосфера достаточного объема. Более правдоподобным выглядит предположение, что они сформировались ближе к Юпитеру и Сатурну, а затем переместились на окраину Солнечной системы. Тем не менее даже в этой предполагаемой точке, находящейся ближе к Солнцу, рост их атмосфер остановился с исчезновением газового диска.

Однако в случае с Юпитером и Сатурном описанный сценарий представляется менее вероятным. Предполагается, что отношение твердого ядра к огромной атмосфере у наших двух наиболее массивных газовых гигантов намного больше. Поэтому, вероятнее всего, у них было достаточно времени для аккумулирования газа, а остановка процесса поглощения в их случае была обусловлена каким-то другим механизмом. Существует гипотеза, что этим механизмом стало появление разрыва в протопланетном диске вдоль орбиты каждой из планет.

При движении по орбите время совершения полного оборота определяется расстоянием до звезды. Как и в случае со спортсменами на беговых дорожках, чем ближе протопланетный материал к звезде, тем меньше расстояние, которое он должен преодолеть, чтобы вернуться в исходное состояние. Поэтому газ, движущийся по орбите между планетой и звездой, обгоняет планету, тогда как газ по другую сторону от нее – отстает.

Перемещаясь по диску, газ испытывает воздействие гравитационного притяжения планеты. Что касается бегущего вперед газа, находящегося ближе к звезде, эта сила тянет его назад, замедляя его движение. И наоборот – газ с внешней стороны эта сила заставляет ускоряться.

С изменением скорости газа неизбежно меняется и его орбита таким образом, чтобы равновесие между круговой скоростью и силой притяжения звезды могло вновь восстановиться. Теперь скорость газа между планетой и звездой оказывается ниже, в результате чего он отдаляется от планеты и перемещается ближе к звезде. Тем временем, набрав скорость, газ с внешней стороны планеты начинает удаляться от нее в противоположном направлении. В результате вокруг планеты образуется область, в которой плотность газа существенно ниже, чем в остальных частях диска.

Если сфера действия гравитационного притяжения планеты выходит за пределы протопланетного диска сверху и снизу, этот разрыв может сохраняться в течение определенного времени. Планета настолько велика, что газ не может проникнуть в образовавшуюся дыру – его скорость меняется, и он выталкивается обратно. Таким образом, разрыв не заполняется и продолжает блокировать поток газа до момента исчезновения газового диска.

После того, как атмосфера прекращает расширяться, планета сжимается, поскольку атмосфера продолжает охлаждаться и опускаться вниз. Плотность атмосферы увеличивается, сжимать ее становится все труднее, она начинает сопротивляться сдавливающим ее силам. В глубине атмосферы газового гиганта давление газа в результате сжатия достигает значений, при которых водород превращается в необычный жидкий металл. Эти колоссальные силы заметно замедляют процесс сжатия Юпитера и Сатурна: по имеющимся у нас данным Юпитер сжимается на 1 мм в год. Но даже столь незначительного сокращения объема достаточно для нагревания планеты, которая излучает больше энергии, чем получает от Солнца.

Описанный механизм формирования газового гиганта называют моделью аккреции на ядро, так как в ее основе лежит идея активной аккреции газа на поверхность твердого ядра. Интригует то, что он очень похож на механизм формирования планет земного типа, за исключением того, что связано с активным формированием атмосферы. Но время, которое требуется для его завершения, уже не кажется столь интригующим.

Первоначально считалось, что формирование Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна на их текущих орбитах продолжалось дольше 10 млн лет, что казалось невозможным, ведь к концу этого периода от газового диска уже ничего не должно было остаться. Поначалу осознание обозначенной проблемы привело к признанию невозможности аккреции на ядро, но благодаря корректировке модели после ряда новых открытий был сделан вывод о меньшей длительности периода образования четырех планет.

Первая корректировка связана с простым уточнением первоначальных расчетов модели. Скорость охлаждения газа отчасти определяется тем, слипаются ли частицы пыли при попадании в атмосферу, оседая на поверхность, или же они остаются во взвешенном состоянии в газе. Во втором случае образуемый частицами туман предотвращает утечку тепла (речь идет о повышении степени непрозрачности атмосферы), что замедляет процесс охлаждения. При оседании пыли на поверхность ядра охлаждение ускоряется, и атмосфера быстро переходит к стадии неудержимого расширения.

Более радикальное решение – переместить планету. В основе работы планетного буксира лежит тот же механизм, что обеспечивает образование разрывов в протопланетном диске. Пока планета притягивает газ, создавая условия для образования разрыва, газ, в свою очередь, тащит ее в обратном направлении. Газ внутри орбиты увлекает планету вперед, а та старается затормозить его, тогда как газ на внешней стороне орбиты тормозит планету, пока другие силы тянут ее вперед. Если газ на внешней стороне орбиты и газ внутри нее тянут с одинаковой силой, на планете это никак не отражается. Однако планета движется немного быстрее газа внутри орбиты, поскольку она не подвержена давлению. Это приводит к тому, что тормозящий газ оказывается ближе к поверхности планеты, одерживая верх над внутренними силами ускорения. Поэтому планета замедляется и получает направленный внутрь импульс.

При перемещении планеты по диску она сталкивается с новым скоплением планетезималей. Благодаря новой порции питания скорость аккреции снова возрастает, что приводит к сокращению времени, необходимого для начала коллапса, ни много ни мало в 10 раз. В этом сценарии планета вроде Юпитера начинает формироваться на расстоянии приблизительно 8 а.е., а затем перемещается к своему текущему положению на расстоянии 5 а.е., захватывая, как будто тралом, все объекты на своем пути. С открытием экзопланет идея о миграции планет стала ключевым элементом теорий их образования, выступая одновременно как в качестве фактора, способствующего процессу формирования, так и в качестве одного из главных препятствий на его пути.

Относительно недавно было высказано предположение о существовании еще одного механизма, обеспечивающего ускоренный набор массы газовыми гигантами. Согласно теории аккреции обломков, поглощение каменистых объектов меньшего размера позволяет планете расти быстрее, чем при слипании с крупными планетезималями.

Рост зародыша планеты замедляется, как только скорость приближающихся к нему планетезималей достигает значений, достаточных для преодоления его гравитации. Сложности начинаются еще на стадии олигархического роста; но труднее всего зародышу планеты улавливать более крупные планетезимали, которые разбросаны вокруг него на поздних этапах.

Однако даже после формирования в протопланетном диске более массивных планетезималей в нем по-прежнему остается большое количество каменистых тел меньшего размера. Не превышающие 10 см в диаметре обломки представляют собой прекрасную «закуску», так как при таком размере они пока еще не способны преодолевать сопротивление газа. Когда они оказываются рядом с зародышем планеты, сопротивление заставляет их замедляться, из-за чего они намного чаще сходят со своих орбит и сталкиваются с зародышем. Поэтому зародыши планет могут чрезвычайно легко слипаться с каменистыми телами такого размера, набирая массу в сто раз быстрее там, где сейчас находится Юпитер.

Скорее всего, при возникновении планет были задействованы все эти три механизма, сокращающие время, необходимое для аккумулирования огромной атмосферы. Таким образом, аккреция на ядро кажется наиболее правдоподобной моделью формирования большинства газовых гигантов. Впрочем, есть миры, существование которых ставит ее под сомнение.

Формирование дальних планет

Модель аккреции на ядро стала серьезной заявкой на объяснение механизмов образования планет-гигантов, но продержалась она недолго. Чем дальше от центра протопланетного диска, тем труднее сформировать планету. Что касается небольших каменистых миров на окраинах Солнечной системы, таких, например, как Плутон, главным виновником их удаленного положения можно считать взаимодействие с массивными планетами. Когда газовые гиганты раздуваются в размерах, в сферу их гравитационного притяжения попадают сначала крупные планетезимали, а затем – менее крупные каменистые зародыши планет. В силу большого размера они легко преодолевают сопротивление газа, и поэтому к тому моменту, когда они достигают газового гиганта, большинство этих объектов движутся слишком быстро, чтобы газовая планета могла их поглотить. Вместо этого они проносятся мимо нее, набирая скорость, и разлетаются по всей Солнечной системе.

Так, Плутон был вытолкнут на окраину в составе большого скопления планет-карликов и планетезималей, оказавшись позади Нептуна. Другие планетезимали были раскиданы внутри Солнечной системы или вовсе покинули ее пределы. Гравитационное притяжение гиганта Юпитера было настолько мощным, что под его воздействием зародыши планет в пределах Солнечной системы начали рыскать и сталкиваться друг с другом, образуя планеты земной группы.

Этого достаточно для объяснения процесса формирования нашей Солнечной системы: в результате столкновений частиц пыли образуются планетезимали, которые вырастают в зародыши планет. Газовые гиганты аккумулируют огромные атмосферы в процессе безудержного расширения путем аккреции на ядро, а под влиянием их громадной массы начинается игра в гравитационный пинг-понг, во время которой завершается рост планет внутри системы и происходит выталкивание кольца планет-карликов и каменистых глыб. А потом мы открыли экзопланеты.

Предполагается, что Фомальгаут b – это планета-гигант, движущаяся по орбите вокруг своей звезды на немыслимом расстоянии 119 а.е. Для сравнения: Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, находится всего лишь в каких-то 30 а.е. от Солнца. На расстоянии в сотни а.е. формирование ядра такого размера, который позволил бы образоваться массивной атмосфере, просто невозможно. И вот тут-то в спор вступает планета Фомальгаут b, верхняя оценка массы которой втрое больше массы Юпитера. Ее открытие нанесло серьезный удар по модели аккреции на ядро, которой противоречило как расположение этой планеты в разреженном внешнем диске, так и увеличение в три раза массы, которую должна набрать планета.

Ни метод лучевых скоростей, ни транзитный метод не использовались при обнаружении Фомальгаут b. Она стала первой экзопланетой, доступной для непосредственного наблюдения. Получить изображение экзопланеты чрезвычайно трудно, так как ее слабое излучение (отраженный свет и собственное тепловое излучение) обычно подавляется звездой. Поэтому чем дальше орбита планеты от звезды, тем выше вероятность обнаружить ее тусклое изображение.

Учитывая, что Фомальгаут b окружена обширным облаком космической пыли, возможность ее отнесения к планетам часто ставится под сомнение. Погружена ли планета в туман или это осколки от столкновений, происходивших в процессе ее формирования? Как бы там ни было, Фомальгаут b – далеко не последний объект, обнаруженный на большом расстоянии в диске.

В 2009 г. японский телескоп «Субару» с зеркалом диаметром 8,2 м начал прочесывать небо в поисках удаленных планет. Исследование, в рамках которого проводилась эта работа, получило название «Стратегическое изучение экзопланет и дисков с помощью “Субару”» (Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru, сокращенно – SEEDS). Планировалось, что телескоп будет делать снимки дисков вокруг звезд и всех газовых гигантов, которые попадут в его поле зрения. К 2016 г. SEEDS обнаружил четыре планеты, которые были значительно больше Юпитера и обращались по орбитам на расстоянии 29–55 а.е. от своей звезды. Пусть этих планет было немного, но игнорировать их существование было невозможно.

Столкнувшись с объектами, не укладывающимися в существующую модель аккреции на ядро, ученые начали поиски альтернативной теории, которая могла бы объяснить работу фабрики по производству газовых гигантов. Было предложено взять за основу модель образования звезд и экстраполировать ее на газовые гиганты.

На изображениях дисковых галактик, похожих на наш Млечный Путь, видны ослепительные множества спиральных рукавов. Обычно спирали – это волны плотности, которые относятся к тому же типу, что и звуковые волны. Спиральные рукава могут появляться, когда собственная гравитация газа достаточно сильна, чтобы разорвать однородную структуру газового диска.

Этот эффект называют неустойчивостью диска – немного пафосно, учитывая, что термин означает процесс разрушения диска гравитацией. В создаваемом им спиральном рукаве собираются облака молекулярного газа, образуя плотные участки, в которых рождаются звезды.

Альтернативный вариант объяснения процесса формирования газовых гигантов исходит из того, что нечто похожее может происходить и в протопланетном диске. В окружающем звезду газовом диске образуются спиральные рукава, газ сжимается и падает непосредственно в центр планеты-гиганта. В отличие от куда меньших плотностей, которыми обычно характеризуется звездообразующее молекулярное облако, плотности в протопланетном диске потенциально могут подниматься до уровня, достаточного для формирования небольшого объекта размером с планету.

Этой идеей трудно не соблазниться, ведь она позволяет аккуратно обойти все другие проблемы, с которыми мы пытались разобраться до сих пор. Раз не нужно начинать со строительства твердого ядра, мы можем пренебречь механизмами слипания планетезималей и сопротивлением газа. Тогда для образования газового гиганта достаточно всего лишь тысячи лет, что намного меньше аналогичного значения в модели аккреции на диск и заведомо меньше продолжительности жизни газового протопланетного диска. Более того, в этом случае становится возможным создание планет с массой, превышающей массу Юпитера в 1–10 раз, то есть таких, как Фомальгаут b и другие экзопланетные мегамиры.

Проблема (а проблемы есть всегда!) в том, что возможность появления неустойчивостей в протопланетном диске аналогично тому, как это происходит в нашей Галактике, вызывает сомнения. Известны два основных фактора, от которых зависит, сможет ли диск стать неустойчивым, – масса и температура. Если диск слишком легкий, его гравитации недостаточно, чтобы нарушить равномерное распределение и сформировать спираль. И наоборот: если температура слишком высокая, беспорядочное движение газа может быстро сгладить волну сжатия до того, как она сформирует планету. Вопрос о том, могут ли сформированные таким образом планеты выживать, также остается открытым. Образующиеся рядом планеты могут объединяться в более крупные объекты либо разбить друг друга на части.

Модели протопланетного диска, окружающего звезду, аналогичную нашему Солнцу, показывают, что на расстоянии менее 40 а.е. вероятность возникновения неустойчивости крайне мала. Однако на ранних этапах существования диска, когда его масса больше, он может быть фрагментирован на расстоянии свыше 100 а.е., что полностью соответствует расположению Фомальгаута b. Все обнаруженные SEEDS планеты находятся на границе между областью аккреции на ядро и областью, где в диске может появляться неустойчивость. Поэтому можно считать, что механизм их формирования понятен. Однако, какой метод нам следует применить, до сих пор непонятно.

Образовавшаяся в результате неустойчивости диска газовая планета первоначально не имеет твердого ядра. Она может получить его, захватывая планетезимали, которые медленно падают в ее центр. Хотя наши газовые гиганты находятся слишком близко к Солнцу, чтобы неустойчивость диска могла быть причиной их формирования, нам известно о планете размером с Юпитер, образовавшейся посредством этого механизма. Масса ее ядра составляет приблизительно 6 масс Земли, то есть укладывается в предполагаемый диапазон значений массы твердого ядра Юпитера.

Какая же из двух теорий верна – теория аккреции на ядро или теория неустойчивости диска? А может быть, они обе соответствуют реальности? Единственный веский аргумент, мешающий признать, что оба механизма имели место, лежит в плоскости эстетики: два разных метода формирования газовых гигантов – это просто некрасиво. Однако ни одна из этих двух моделей по отдельности не способна объяснить происхождение и газовых гигантов в нашей Солнечной системе, и газовых гигантов вокруг других звезд. В качестве компромисса можно рассматривать их как взаимодополняющие: в результате неустойчивости диска газ сжимается в спиральные волны, которые при определенных условиях сжимаются в планеты. Если коллапс не происходит, неустойчивость диска продолжает способствовать аккреции на ядро, тогда как аккумуляция газа обеспечивает увеличение скорости образования атмосферы вокруг твердого ядра планеты.

У нас есть планеты, в которых можно узнать миры, существующие в Солнечной системе. Четыре из них сформировались быстрее остальных, сгребая планетезимали и небольшие зародыши планет, попадавшие в их непрерывно расширяющиеся гравитационные поля. Набрав массу, каменистые и ледяные ядра оказались в объятьях громадных атмосфер, искупавших их в газе. Вблизи от Солнца, где гравитационное влияние планет было не столь значительным из-за сильного притяжения звезды, процесс формирования протекал более спокойно. Затем, когда гравитация газовых гигантов заставила зародыши планет изменить свои орбиты, начался последний раунд столкновений. Результатом стало образование четырех планет земной группы, окруженных тонкими атмосферами. Однако ни на одной из этих планет еще не было условий для зарождения жизни.