Страница 5 из 35
Фред Хойл (1915—2001), изучал турбулентные процессы в протопланетном диске
Джордж Уэзерилл (1925—2006), научился численно моделировать эволюцию облака планетезималей
Гипотезы кэмерона
Описанный механизм удовлетворительно объясняет появление твердых планет земного типа. Они почти целиком формируются из пылевой составляющей диска, на которую приходятся доли процента его массы. Газ не удерживается возле относительно небольших протопланет, находящихся в теплой центральной части системы. Иначе развиваются события за «линией льда», которая в Солнечной системе проходит примерно по поясу астероидов между Марсом и Юпитером. За ней вода конденсируется в лед, и твердых частиц оказывается больше, чем во внутренней области диска. Вдобавок скорость орбитальных движений, а значит, и столкновений тут ниже. Поэтому планетезимали растут здесь быстрее, и довольно скоро появляются крупные протопланеты массой в несколько раз больше Земли. Они способны притягивать и удерживать не только твердую составляющую диска, но и газ. Начинается процесс аккреции, то есть падения газа на твердое ядро. И чем больше его падает, тем сильнее становится притяжение и быстрее растет масса планеты. Так рождаются планеты-гиганты, подобные Юпитеру и Сатурну. На весь процесс уходит несколько миллионов лет, в то время как образование планет земного типа парадоксальным образом занимает в несколько раз больше времени.
Гипотезу образования гигантов путем аккреции газа на крупную твердую протопланету предложил в 1972 году Аластер Кэмерон, и сегодня ее придерживаются большинство астрономов. Правда, сам Кэмерон довольно быстро охладел к своей идее и уже в 1978 году предложил другую: планеты-гиганты возникают в результате развития гравитационной неустойчивости во внешней части диска, из-за которой значительная часть газа прямо на орбите вокруг звезды теряет устойчивость и сжимается в одну или несколько гигантских планет. Подобным образом, вероятно, образуются и двойные звезды.
Серьезные аргументы есть как за, так и против обеих моделей. Критики модели неустойчивости говорят, что ей требуются несколько более массивные протопланетные диски, чем обнаруживаются в наблюдениях. Зато планеты-гиганты появляются в ней не через миллионы лет, а почти сразу, и это позволяет объяснить некоторые особенности планетных систем, которые представляют трудности для модели аккреции.
Дискуссии вокруг происхождения гигантов продолжаются, и нельзя исключить, что в разных случаях могут работать оба механизма, предложенные Кэмероном. Однажды журналист спросил Джорджа Уэзерилла: «Если бы Санта-Клаус подарил вам ответ на любой вопрос, что бы вы захотели узнать?» — «Я бы поинтересовался, откуда взялся Юпитер», — ответил тот.
Пастухи-мигранты
Рождение гиганта — важный этап становления планетной системы. Своим притяжением он воздействует на движение газа и твердых составляющих диска, влияя тем самым на ход формирования других планет. Например, в Солнечной системе Юпитер помешал образоваться планете на месте пояса астероидов. Его гравитационные возмущения привели к тому, что планетезимали в этой зоне сталкивались на слишком больших скоростях и, вместо того чтобы сливаться, наоборот, дробились на части.
Еще более серьезные последствия возникают, когда гигантская планета начинает мигрировать по системе, постепенно меняя свою орбиту. При движении внутри газового диска растущий гигант порождает характерную волну плотности, которая напоминает выброс из-под колес мотоцикла, делающего вираж на грунтовом треке. Эта волна, постоянно сопровождающая планету, отбирает у нее энергию движения, заставляя подходить все ближе к звезде, пока не остановится у внутреннего края газового диска — без газа миграция останавливается.
В таких гигантских межзвездных газопылевых комплексах запускается процесс формирования звезд, а с ними и планет. Фото: NASA, ESA
А внутри сжимающейся орбиты, как будто убегая от наступающего гиганта, теснится множество планетезималей, которых он сгоняет, как пастух стадо, из холодной внешней области системы во внутреннюю. В основе этого процесса лежит известное из небесной механики явление орбитальных резонансов: малые небесные тела тяготеют к орбитам, периоды обращения по которым соотносятся с периодом планеты-гиганта как небольшие целые числа, скажем 1:2 или 2:3. Не попадающие «в такт» объекты часто оказываются в непосредственной близости от «сурового начальства» и получают от него гравитационные «пинки», пока не попадают на одну из резонансных орбит. Планеты-гиганты, вызывающие такое сгущение планетезималей на определенных орбитах, принято называть «пастухами». Благодаря им взаимодействие между планетезималями усиливается и ускоряет рост планет.
Аналогичные резонансные семейства планетезималей возникают снаружи от орбиты гиганта. Весьма вероятно, что Сатурн в Солнечной системе образовался из планетезималей, которые «пас» Юпитер. И если бы не он, Сатурн мог бы просто не успеть сформироваться вовремя, чтобы собрать достаточную массу газа. Ведь уже через несколько миллионов лет после образования протопланетного диска газ из него выдувается разгоревшейся центральной звездой. Вероятно, поэтому Уран и Нептун, образовавшиеся из планетезималей, которые «пас» уже Сатурн, так и не смогли сравняться с ним по массе.
Жизнь под опекой гигантов
И это еще не все. Если бы не Юпитер, на Земле, скорее всего, не было бы воды. Ведь наша планета формировалась в центральной части диска, внутри линии льда, где вода находилась в газообразном состоянии. Каким же образом она появилась на Земле? Единственный вразумительный ответ — из планетезималей, которые образовались за линией льда, но благодаря Юпитеру попали в центральные области Солнечной системы. Когда же формирование планет завершилось, притяжение Юпитера постепенно очистило Солнечную систему от «строительного мусора» — оставшихся без дела планетезималей. Если бы не это, процесс интенсивной кометно-метеоритной бомбардировки Земли, возможно, не завершился бы в первый миллиард лет ее существования, и в таком случае развитие сложной жизни было бы значительно затруднено.
В последние годы вблизи других звезд открывается все больше планетных систем. На начало 2009 года было известно уже 333 экзопланеты. Однако многих разочаровывает то, что абсолютное большинство из них — гиганты, сравнимые по массе с Юпитером и даже многократно превосходящие его. Ведь так хочется обнаружить планеты земного типа, на которых могла бы развиваться жизнь. Но теперь у нас есть все основания для оптимизма. Раз в других системах часто встречаются юпитеры, значит еще не открытые далекие земли вряд ли окажутся безводными пустынями. Остается только найти их. Именно этим и займется запущенный в марте орбитальный телескоп «Кеплер».
Представленная здесь картина обрисовывает лишь самые общие черты процесса рождения планет. Много важных деталей осталось за рамками рассмотрения, еще больше неясно самим астрономам. Но главное, что хотелось подчеркнуть: в последние десятилетия космогония радикально преобразилась. Еще в середине XX века она была почти умозрительной наукой, недалеко ушедшей от эфирных вихрей Декарта, а сейчас представляет собой стремительно развивающуюся ветвь астрофизики, в которой сплетаются самые разные дисциплины: от небесной механики до нанофизики. В космогонических исследованиях используются сложные компьютерные модели, лабораторные эксперименты и, конечно же, наблюдения на самых современных инструментах, которые постоянно приносят новые вопросы и решения.
Александр Сергеев
Гордая и предубежденная