Когда астрономы обнаружили первую экзопланету вокруг нормальной звезды 2 десятилетия назад, возникла радость и недоумение. Планета, 51 Pegasi В, была вдвое массивнее Юпитера, но ее четырехдневная орбита была невероятно близка к звезде, намного меньше 88-дневной орбиты Меркурия. Теоретики, которые изучают формирование планет, не могли понять, как планета, таких крупных размеров, может расти в таких тесных границах вокруг новорожденной звезды. Это было странно, но вскоре при поиске новых планет появилось больше «Юпитеров», и к ним присоединились другие странности: планеты на вытянутых и сильно наклоненных орбитах, даже планеты, вращающиеся вокруг своих звезд «назад» - в противовес звездам.
Охота на планеты ускорилась с запуском космического корабля НАСА «Кеплер» в 2009 году, и 2500 обнаруженных им миров добавили статистическую значимость к изучению экзопланет - и еще большую путаницу. Кеплер обнаружил, что самый распространенный тип планет в галактике - это нечто среднее между размером Земли и Нептуна - «супер-Земля», которая не имеет параллели в нашей солнечной системе и которую, как полагают, почти невозможно создать. Найденные планеты-гиганты, в несколько раз превышают массу Юпитера и вращаются вокруг своей звезды более чем в два раза дальше, чем Нептун от Солнца. Другие планетные системы не имют ничего общего с нашей упорядоченной солнечной системой, бросая вызов хорошо разработанным теориям.
Природа умнее наших теорий.
Теоретики пытаются наверстать упущенное - придумывают сценарии выращивания ранее запрещенных видов планет в местах, которые раньше считались запретными. Они представляют, как планеты могут образовываться в гораздо более подвижных и хаотических средах, чем они когда-либо представляли ранее, где зарождающиеся планеты дрейфуют с широких на узкие орбиты или рикошетируют по вытянутым или нетрезвым путям от других планет или проходящих звезд. Но постоянно расширяющийся зоопарк экзотических планет, который подсчитывают наблюдатели, означает, что каждая новая модель является временной.
Традиционная модель формирования звезд и их планет восходит к 18 веку, когда ученые предположили, что медленно вращающееся облако пыли и газа может разрушиться под действием собственной гравитации. Большая часть материала образует шар, который зажигается в звезду, когда его ядро становится достаточно плотным и горячим. Гравитация и угловой момент объединяют оставшийся материал вокруг протозвезды в плоский диск. Пыль является ключом к превращению этого диска в набор планет. Пыль, составляющая небольшую часть массы диска, состоит из микроскопических пятен железа и других твердых частиц. Когда они вращаются в вращающемся диске, пятнышки иногда сталкиваются и слипаются электромагнитными силами. В течение нескольких миллионов лет пыль накапливается в зерна, гальку, валуны и, в конечном итоге, планетезимали шириной в километр.
В этот момент гравитация берет верх, втягивая другие планетезимали и пылесосит пыль и газ, пока тела размером с планету не обретут форму. К тому времени, когда это происходит во внутренней части диска, большая часть его газа была удалена, либо поглощена звездой, либо унесена его звездным ветром. Недостаток газа означает, что внутренние планеты остаются в значительной степени каменистыми, с тонкими атмосферами.
Этот процесс роста, известный как наращивание ядра, протекает быстрее во внешних частях диска, где он достаточно холодный, чтобы вода могла замерзнуть. Лед за этой «снежной линией» дополняет пыль, позволяя протопланетам быстрее консолидироваться. Они создают твердое ядро, в пять-десять раз превышающее массу Земли - достаточно быстро, чтобы диск оставался богатым газом, и ядро могло тянуться в густой атмосфере, создавая газового гиганта, такого как Юпитер. (Одна из целей космического корабля НАСА «Юнона», который прибыл на Юпитер в начале этого месяца, - выяснить, действительно ли планета имеет массивное ядро.)
Этот сценарий, естественно, создает планетную систему, такую же, как наша: маленькие каменистые планеты с тонкими атмосферами, близкими к звезде, газовый гигант, похожий на Юпитер, прямо за линией снега, а другие гиганты постепенно уменьшаются на больших расстояниях, потому что они движутся медленнее через их орбиты и это займет больше времени, чтобы собрать материал. Все планеты остаются примерно там, где они образовались, на круговых орбитах в одной плоскости. Красиво и аккуратно.
(продолжение в следующем посте)