Открытие «новых Юпитеров» позволило предположить, что с теорией что-то не так. Планета с орбитой, измеренной в днях, проходит очень короткое расстояние вокруг звезды, что ограничивает количество материала, которое она может выкопать при формировании. Казалось невероятным, что газовый гигант мог сформироваться в таком месте. Неизбежным выводом было то, что он, должно быть, сформировался дальше и двинулся внутрь.
Теоретики придумали два возможных механизма перетасовки планетарной колоды. Первый, известный как миграция, требует, чтобы на диске оставалось много материала после образования гигантской планеты. Гравитация планеты искажает диск, создавая области более высокой плотности, которые, в свою очередь, оказывают гравитационное «сопротивление» на планете, заставляя ее постепенно дрейфовать внутрь к звезде.
Есть подтверждающие доказательства этой идеи. Соседние планеты часто оказываются в устойчивых гравитационных отношениях, известных как орбитальный резонанс. Это происходит, когда длины их орбит находятся в соотношении малых целых чисел. Например, Плутон вращается вокруг Солнца два раза на каждые три орбиты Нептуна. Крайне маловероятно, что они просто сформировались таким образом, поэтому они, должно быть, дрейфовали в то положение, где они были захвачены дополнительной стабильностью. Миграция в начале истории нашей солнечной системы может быть причиной других странностей, в том числе небольшого размера Марса и разреженного разрушенного пояса астероидов. Чтобы объяснить их, теоретики применили маневр, названный великим курсом, в котором Юпитер первоначально сформировался ближе к Солнцу, дрейфовал внутрь почти до орбиты Земли, а затем снова дрейфовал в его текущем положении.
Некоторые моделисты считают такие сценарии излишне сложными, но другие говорят, что просто не может быть достаточно материала, чтобы образовать близкие планеты, такие как 51 Pegasi b и другие, которые еще ближе. И значительная часть экзопланет, которые, по-видимому, находятся на вытянутых, наклоненных или даже обратных орбитах, также, по-видимому, подразумевает некоторую перетасовку планет.
Для этих чудаков теоретики вызывают гравитацию в ближнем бою, а не уравновешенную миграцию. Богатый массой диск может создать множество планет, расположенных рядом друг с другом, где гравитационные столкновения отбросят их в звезду, на странные орбиты или из системы. Другим потенциальным нарушителем является звезда-компаньон на удлиненной орбите. Большую часть времени это было бы слишком далеко, чтобы оказывать влияние, но иногда это могло повлиять на ситуацию. Или, если родительская звезда является членом тесного звездного скопления, соседняя звезда может сместиться слишком близко и нанести ущерб.
Удивительное открытие Кеплера о том, что 60% похожих на Солнце звезд вращается вокруг супер-Земли, требует теперь совершенно новых теорий. Большинство суперземель, которые считаются в основном твердыми камнями и металлом с небольшим количеством газа, следуют по более узким орбитам, чем Земля, и часто у звезды их несколько. Например, система Кеплер-80 имеет четыре суперземли, все с орбитами 9 дней или меньше. Традиционная теория гласит, что внутри ядра снега происходит слишком медленное наращивание, чтобы произвести что-то такое большое. А суперземли редко встречаются на резонансных орбитах, что говорит о том, что они не мигрировали, а сформировались там, где сидят.
Исследователи придумывают пути решения проблемы. Одной из идей является ускорение аккреции с помощью процесса, известного как аккреция галькой. Газ в богатом диске оказывает большое сопротивление объектам размером с гальку. Это обычно замедляет их, заставляя их дрейфовать к звезде. Если они проходят планетезималь по пути, их медленная скорость означает, что их легче поймать, что ускоряет аккрецию. Но более быстрая аккреция и богатый газом диск порождают собственную проблему: суперземли должны втягиваться в плотную атмосферу, когда они превышают определенный размер.
Некоторые ранние наблюдения, сделанные на Атакамском крупном миллиметровом / субмиллиметровом массиве (ALMA), международном объекте, близком к завершению в северной части Чили, подтверждают это предложение. ALMA может отображать радиоизлучение от теплой пыли и гравия в дисках. Те немногие, которые он изучал до сих пор, кажутся относительно массивными. Но наблюдения еще не являются курящим пистолетом, потому что ALMA еще не полностью работоспособен и может видеть только внешние части дисков, а не области, где обитают суперземли.
До сих пор основное внимание в исследованиях экзопланет уделялось внутренним частям планетных систем, примерно на расстоянии, эквивалентном орбите Юпитера, по той простой причине, что это могут видеть все существующие методы обнаружения. Два основных метода - измерение колебания звезд, вызванного гравитационным рывком орбитальной планеты и измерения периодического затемнения звезды при прохождении планеты впереди, - оба предпочитают большие планеты на близких орбитах. Представить сами планеты очень сложно, потому что их слабый свет почти затуманен ярким светом их звезды, который может быть в миллиард раз ярче.
Но, расширив границы самых больших в мире телескопов, астрономы увидели несколько планет напрямую. И за последние пару лет два новых инструмента, разработанных специально для изображения экзопланет, присоединились к охоте. Спектрополяриметрический высококонтрастный европейский исследовательский экзопланет (СФЕРА) и поддерживаемый США Имиджер Близнецов Планет (GPI), прикрепленный к большим телескопам в Чили, используют сложные маски, называемые коронографами, для блокирования света звезды. Не удивительно, что планеты, далекие от своих звезд, являются самыми легкими целями.
Одной из самых ранних и самых поразительных систем, обнаруженных при непосредственном изображении, является система вокруг звезды HR 8799, где четыре планеты находятся на орбите от орбиты Сатурна до расстояния, в два раза превышающего расстояние Нептуна. Что наиболее удивительно, так это то, что все четыре огромны, больше чем в пять раз больше массы Юпитера. Согласно теории планеты на таких далеких орбитах движутся так медленно, что они должны расти с ледяной скоростью и достигать вершин в массах, значительно меньших, чем у Юпитера, до того, как диск рассеется. Тем не менее, хорошие круглые орбиты планет предполагают, что они не были отброшены от них ближе к своим звездам.
Такие далекие гиганты поддерживают самый радикальный вызов стандартной теории, в которой некоторые планеты образуются не в результате аккреции ядра, а в результате процесса, называемого гравитационной нестабильностью. Этот процесс требует богатого газом протопланетного диска, который под действием собственной силы тяжести распадается на комки. Эти сгустки газа со временем могли бы распасться прямо на гигантские планеты, не формируя сначала твердое ядро. Модели предполагают, что механизм будет работать только в определенных обстоятельствах: газ должен быть холодным, он не должен вращаться слишком быстро, и сжимающийся газ должен быть в состоянии эффективно отводить тепло.
Раньше радиотелескопические наблюдения протопланетных дисков оказывали некоторую поддержку гравитационной неустойчивости. Чувствительные к холодному газу, телескопы видели диски, забрызганные грязными, асимметричными каплями. Но последние изображения из ALMA рисуют другую картину. ALMA чувствительна к более коротким длинам волн, которые происходят от пылевых зерен в средней плоскости диска, и ее изображения звезды HL Tauri в 2014 году и TW Hydrae в этом году показали гладкие, симметричные диски с темными круглыми «зазорами», простирающимися далеко за пределы Нептуна орбиты. Эти изображения, наводящие на мысль о планетах, очищающих свои орбиты по мере того, как они растут за счет роста ядра, были ударом по сторонникам гравитационной нестабильности.
Астрономам не нужно долго ждать, чтобы получить лучшие данные. В следующем году НАСА запустит свой спутник для транзитной экзопланеты (TESS), а в следующем году Европейское космическое агентство (ESA) запустит спутник для характеристики экзопланет (CHEOPS). В отличие от Кеплера, который довольно редко исследовал большое количество звезд для составления экзопланетной переписи, TESS и CHEOPS будут фокусироваться на ярких, похожих на солнце звездах вблизи Земли, что позволит исследователям исследовать среднюю орбиту terra incognita. А поскольку целевые звезды находятся поблизости, наземные телескопы должны иметь возможность оценивать массу своих планет, что позволяет исследователям рассчитывать плотность планет, указывая на то, являются ли они скалистыми или газообразными.
В ближайшие годы к охоте на новые планеты присоединятся космические корабли, такие как широкоугольный инфракрасный телескоп НАСА, а также новое поколение огромных наземных телескопов с зеркалами шириной 30 метров или более.
Нас определенно ждет еще масса всего нового!
