Когда астрофизики обратили свои телескопы в сторону далеких звезд для выяснения законов планетообразования, выяснилась одна интересная особенность. Вокруг около 1% доступных для наблюдения звезд обращается планета размером примерно с наш Юпитер (диаметр в 11 раз больше Земли) с периодом оборота всего в 4-5 земных суток. То есть, она находится практически вплотную к звезде. Ученые задались вопросом: если такова судьба газовых гигантов в других звездных системах - постепенно подбираться к звезде, пока та их не поглотит - что же помешало нашему Юпитеру совершить подобную миграцию? Естественно, если бы подобное произошло, то ни Земли, ни Марса, ни Венеры сейчас скорее всего не было, а жизнь в Солнечной системе даже не возникла. Давайте разберемся, кто же остановил нашего гиганта, а также посмотрим, как вообще происходит образование подобных аналогов Юпитера около других звезд.
Как ищут планеты
Термин «экзопланета» означает небесное тело, которое располагается за пределами Солнечной системы. Любой, кто знает, насколько огромны расстояния между звездами, сразу же спросит, как астрономам вообще удается такие планеты обнаружить. Далекую звезду видно, потому что она светится, а вот как быть с планетами, которые не испускают света? Астрофизики применяют два подхода.
Во-первых, измеряют колебания звезды. Дело в том, что вращающаяся по орбите планета и звезда имеют центр масс. То есть, они взаимно притягиваются друг к другу и уравновешиваются именно в этом центре. Конечно, когда мы говорим о таком гигантском объекте как звезда, ее притяжение к планете будет мизерным, и центр масс располагается практически в центре пылающего великана. Тем не менее, звезда все же колеблется, и именно такие незначительные колебания научились фиксировать астрофизики. Чем больше масса планета, тем заметнее эти колебания, а потому обнаружить объект вроде нашего Юпитера проще, чем, например, Землю.
Во-вторых, при прохождении планеты перед звездой в подходящей для наблюдения с Земли ориентации яркость далекого светила понижается. Силуэт планеты увидеть, конечно, нельзя - слишком огромны расстояния - но падения блеска около 1-2% говорят о том, что невидимая нам планета сейчас совершает транзит у далекой звезды.
Как мы видим, оба способа позволяют лишь приблизительно узнать наличие планет возле далеких звезд и ограничены чувствительностью техники. Именно поэтому на заре изучения экзопланет, в 1995 году, в первую очередь обнаруживались небесные тела гигантского размера - планеты размером с Юпитер - период обращения которых вокруг звезды был очень коротким.
Горячая молодость
Планета 51 Пегаса b была первой открытой экзопланетой и вскоре получила название «горячего Юпитера». Ее масса составляет половину массы нашего Юпитера, но при этом планета имеет больший радиус за счет более массивной газовой оболочки. То есть, планета своего рода раздута. При этом она находится к свой звезде ближе, чем Меркурий - к Солнцу. Если период обращения Меркурия составляет 88 земных суток, то 51 Пегаса b - 4.2. Естественно, если такой газовый гигант крутится так близко к звезде, его атмосфера должна быть разогрета до огромных температур. Отсюда и название для такого класса планет - «горячие Юпитеры».
Мы сказали «класса», потому что такие планеты стали после этого отыскивать все чаще, и уже нужно было вписывать их в теорию формирования планетных систем. А также отвечать на сразу же возникший вопрос: почему наш Юпитер не стал «горячим», а спокойно себе вертится на расстоянии почти 800 млн км от Солнца?
Всякая звездная система формируется из газового облака. Сначала из него формируется протозвезда, а потом - планеты. Галактика, в которой находится облако, тоже вращается, и газ следует за этим вращением. Также на него влияет гравитация и притяжение соседних газовых облаков. Такой газовый диск можно представить как плоскую пиццу, которую повар крутит в руках. Точно так же, как вращается, разрастаясь, плоский круг теста, так и газ стремится расширяться в стороны от сжимающейся звезды. В процессе движения газа и пыли постепенно образуются планеты.
Сам процесс планетообразования богат нюансами, и ему можно посвятить отдельную статью. Скажем лишь, что такие планеты, как Юпитер, как правило формируются достаточно далеко от звезды. По мере «налипания» планетиземалей (мелкие тела из протопланетной пыли) и увеличения гравитации небесного тела они начинают разрастаться все стремительнее. Также они начинают мигрировать по «салазкам» газового диска по направлению к звезде. Именно разница в давлении газа (между внутренней и внешней орбитами диска) толкает планету на звезду. Это можно сравнить с движением бульдозера, который собирает в метафорический ковш все больше газа и пыли. Но что остановит такой бульдозер, прежде чем произойдет столкновение со светилом? Построив модель миграции, ученые подсчитали, что зародыш газового гиганта, начав путь с места, где сейчас находится наш Юпитер, через 100 000 лет неминуемо столкнется со звездой.
Скорее всего, некоторые обнаруженные «горячие Юпитеры» ожидает именно такая судьба. Спасти их может только отсутствие газа. Как мы писали выше, именно давление газа протопланетного диска тянет планету к звезде. Однако если он рассеется или его что-то вытолкнет, тогда планета стабилизируется на орбите очень близко к звезде.
Гонка гигантов
Мы сравнили несущийся на звезду Юпитер с бульдозером. Так вот - что помешало нашему местному Юпитеру как раз стать таким бульдозером и поглотить все планетиземали и газ на своем пути к Солнцу? В таком случае, если бы Земля уже существовала, она была разорвана на куски гравитацией проходящего гиганта. Более того, все планетиземали, из которых и формируются планеты, также были бы «съедены» Юпитером. А все, что меньше по объему, было бы просто раскидано по звездной системе без шансов формирования в пригодную для жизни планету.
Однако этого не произошло, а благодарить за укрощение молодого Юпитера мы должны, как ни странно, другого газового гиганта - Сатурн. Итак, представим начало формирование Солнечной системы. Юпитер набирает массу, поглощая планетиземали на своем пути и мигрирует в сторону Солнца. Ему уготована судьба «горячего Юпитера». Однако вмешивается другая крупная планета, которая сформировалась в то же время - Сатурн. Он находится ближе к краю протопланетного диска и сформировался медленнее. По массе он не превышает трети Юпитера. Сатурн мигрирует вслед за Юпитером, и с сокращением расстояния между планетами уменьшается разница периодов их обращения. Силы гравитации сцепляют две планеты между собой, отчего их орбиты постепенно стабилизируются. Между Сатурном и Юпитером возникает так называемый «орбитальный резонанс» в соотношении 2 к 3. То есть, за время, пока Сатурн совершает 2 оборота вокруг Солнца, Юпитер совершает 3.
Как только подобный резонанс формируется между небесными телами, разорвать его становится очень трудно. В случае с двумя гигантами, когда Сатурн движется по первой половине орбиты, он находится позади Юпитера, и гравитация последнего тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн впереди Юпитера, и теперь уже тот тянет его назад. Если планеты приблизятся друг к другу, баланс нарушится. На Сатурн начнет действовать сила, которая тянет его наружу. Планета ускорится и баланс восстановится.
Вследствие того, что обе планеты создают разрывы в газовом диске - а именно газ и способствует движению планеты к звезде - во время орбитального резонанса эти разрывы пересекаются, и газ перестает действовать на планеты. Теперь, поскольку ничто уже не тянет Юпитер к Солнцу, он вместе с Сатурном мигрирует обратно во внешнюю часть Солнечной системы. Получается, наш гигант в древние времена вторгся в ту область, где сейчас находится Марс, захватил или разбросал планетиземали, а потом вернулся обратно. Этой миграцией «туда-обратно» сегодня и объясняют маленький размер красной планеты - ее просто объел вторгшийся на время Юпитер. Наращивать массу ей просто было нечем.
***
Глядя на другие звездные миры с их «горячими» Юпитерами и сравнивая его с нашим, приходит на ум мысль, что планетная система - это результат эдакого гравитационного пинг-понга. Не окажись в нужный момент позади Юпитера Сатурна, картина Солнечной системы была бы совершенно иной. По мере того, как будут совершенствоваться техника и методы астрофизиков, мы сможем находить и планеты меньшего размера, чем Юпитер - такие, что схожи с Землей. И тогда интересно будет узнать ответ на вопрос, насколько нетипичной (или наоборот, типичной) оказалась именно наша партия в пинг-понг.
Продолжая тематику экзопланет:
Планета алмазов и мир вечной ночи. Какие бывают планеты за пределами Солнечной системы
«Черная вдова» Галактики. Как пульсары убивают звезды (но рождают планеты)
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.