Удивительная Солнечная система - Александр Громов

Выдвинуто несколько гипотез, пытающихся объяснить данный феномен. Любопытна гипотеза Д. Лина, П. Боденхаймера и Д. Ригардгона (США). Они предполагают, что любая протопланета, находящаяся в протопланетном диске, должна со временем мигрировать в сторону центра системы. Причин две. Во-первых, материя, образующая протопланетный диск, теряет вследствие трения свою механическую энергию, стремясь приблизиться к молодой звезде и даже выпасть на нее. Поток материи увлекает за собой протопланету, как ветер увлекает воздушный шар. Вторая причина – резонансные отношения протопланет со спиральными волнами плотности в диске. Эта гипотеза предполагает, что в молодой Солнечной системе первоначально сформировалось несколько юпитероподобных планет, причем все они были ближе к Солнцу, чем Юпитер, и жизнь их была кратковременна: еще до исчезновения протопланетного диска они выпали на Солнце. Само собой, когда диска не стало, исчезла причина приближения планет к Солнцу.

Гипотеза эта, уязвимая для критики и вызывающая ожесточенные споры, все же помогает объяснить, почему многие юпитероподобные экзопланеты находятся так близко к своим светилам: либо протопланетные диски исчезли несколько раньше, чем планеты упали на свои звезды, либо они еще не исчезли и падение продолжается. А раз оно шло или идет, то мы можем застать его в любой фазе! Между прочим, очень молодые экзопланеты в протопланетных дисках уже обнаружены, таким объектом, например, является весьма массивная (10 масс Юпитера, почти коричневый карлик!) экзопланета в газово-пылевом диске, окружающем звезду TW Гидры. Это звезда типа Т Тельца, то есть еще не «севшая» на главную последовательность и в некотором смысле еще не звезда, а протозвезда. Возраст ее оценивается всего-навсего в 5-10 млн лет, и планета, конечно, не старше звезды. Радионаблюдения выявили также падение на звезду части вещества протопланетного диска. Это самая молодая экзопланета из всех обнаруженных. Кстати, радиус ее орбиты всего 6 млн км, а период обращения – 3,56 суток. Если гипотеза о выпадении на молодую звезду близких экзопланет верна, то в перспективе планету ждет очень «горячая» встреча со звездой.

Из слов о трудности обнаружения экзопланет, о малости изменений характеристик звезд, вызванных наличием планет, кто-нибудь может сделать вывод о том, что экзопланеты могут быть обнаружены лишь у звезд, находящихся поблизости от Солнца. В общем-то это большей частью так, но только слово «поблизости» надо понимать широко. Например, дальние окраины нашего звездного комплекса, выделяющегося на небе как пояс Гулда или даже соседний спиральный рукав нашей Галактики, – это тоже «поблизости». Ведь все в этом мире относительно. В качестве примера можно привести хотя бы поступившее в 2010 году сообщение об открытии экзопланеты у звезды HIP 13 044 в созвездии Печи, находящейся на расстоянии 2200 световых лет от нас. Показательно, что экзопланета была открыта не «Кеплером», а при помощи наземного астрономического оборудования, принадлежащего Европейской южной обсерватории (ESO), находящейся в Чили. Сама по себе экзопланета не очень интересна – это типичный «горячий Юпитер» с массой 1,3 массы Юпитера, средним радиусом орбиты 0,12 а.е. и периодом обращения 16 суток и 5 часов. Он даже не самый горячий из «юпитеров». Любопытна не столько экзопланета, сколько сама звезда.

Она принадлежит к «потоку Хелми» и движется вместе с подобными ей звездами не так, как полагалось бы двигаться объектам нашей Галактики. В этом и состоит разгадка: звезды «потока Хелми» некогда принадлежали карликовой эллиптической галактике, слившейся с Млечным Путем миллиарды лет назад. Мы знаем, что большинство звезд в эллиптических галактиках – старые звезды, образовавшиеся практически одновременно еще на стадии сжатия протогалактического облака и не оставившие в галактике достаточно газа для дальнейшего звездообразования. Конечно, в молодых эллиптических галактиках взрывались сверхновые, хоть в какой-то степени обогащая межзвездную среду газом и тяжелыми элементами, но второе поколение звезд получалось крайне малочисленным. Большинство звезд в эллиптических галактиках – субкарлики почтенного возраста с низким содержанием тяжелых элементов.

HIP 13 044 как раз такая звезда. Она несколько менее массивна, чем Солнце, но уже «отсидела» на главной последовательности положенный ей срок и превратилась в красный гигант. Интересно, что один (а может, и не один) из ее близких спутников уцелел при этом катаклизме. Среди звезд эллиптических галактик, даже ближайших, являющихся спутниками Млечного Пути, пока не обнаружены звезды с экзопланетами (все-таки эти галактики находятся далековато от нас), но «поток Хелми» состоит как раз из таких звезд и проходит сравнительно недалеко – очень любезно с его стороны! Теперь мы знаем, что и вокруг звезд первого поколения могли формироваться планеты.

Кстати, а каковы те звезды, вокруг которых обнаружены экзопланеты или кандидаты в экзопланеты? Бытовавшая лет 40–50 назад гипотеза о том, что планетные системы могут иметь лишь звезды более «поздних» спектральных классов, чем F2[23], ничуть не подтвердилась. Экзопланеты были обнаружены у звезд всех основных спектральных классов: у красных и голубых гигантов, у бело-голубых, белых, желтоватых, желтых, оранжевых и красных звезд. Преобладает, конечно, оранжево-красная гамма, что и понятно: маломассивные звезды классов К и особенно М являются самими распространенными в Галактике. Если выстроить «по росту» (диаметру) 1235 звезд, имеющих кандидатов в экзопланеты по данным «Кеплера», и добавить сюда Солнце, то оно окажется примерно посередине этой шеренги. Так что и в этом отношении мы более чем типичны.

Звезда, имеющая экзопланеты, не обязана быть одиночной. Экзопланеты обнаружены в двойных и даже тройных звездных системах. Более того, найдены и одиночные экзопланеты, не связанные со звездами. Естественно, речь идет об очень крупных (для планеты) объектах, приближающихся уже к коричневым карликам. Иначе они просто-напросто не были бы обнаружены – даже методом микролинзирования. Такие экзопланеты могут формироваться точно так же, как звезды, с той разницей, что этот процесс занимает у них очень много времени. Но нас, конечно, гораздо сильнее интересуют экзопланеты, связанные со звездами, да еще находящиеся в «зоне жизни», да еще похожие на Землю…

Чувствительность аппаратуры «Кеплера» позволила окончательно покончить с монополией «юпитеров» – стали открываться «экзонептуны», причем в большом количестве (662 из 1235). Но для нас, конечно, интереснее планеты, хоть сколько-нибудь похожие на Землю. В числе упомянутых 1235 кандидатов в экзопланеты находится 68 объектов, сравнимых по размерам с Землей. Строго говоря, поиск таких экзопланет и есть главная задача «Кеплера».

Помните планету у «железной звезды» из знаменитого романа И.А. Ефремова «Туманность Андромеды»? Масса в двадцать с лишним раз больше Земли, тройная тяжесть на поверхности… Нечто массивнее Нептуна, только находящееся ближе к центральному светилу. Неуютное место. Конечно, такую планету никто не станет сравнивать с Землей – сравнивают менее массивные экзопланеты. И все-таки все они, открытые на сегодняшний день, массивнее Земли; наименьшая из них по массе (Глизе 581 е) в 1,7 раза массивнее Земли – и это еще нижняя граница оценки ее массы. Неудивительно, что за подобными экзопланетами закрепилось прозвище «сверхземли».

Первая «сверхземля» (7,5 массы Земли), обращающаяся вокруг нормальной (не нейтронной) звезды, была открыта в 2005 году у звезды Глизе 876. Не следует думать, как это делают забывшие школьную физику люди, что сила тяжести на поверхности такой экзопланеты в 7,5 раза превысит силу тяжести на поверхности Земли. Из ньютонова закона всемирного тяготения следует, что при увеличении массы планеты и неизменной плотности сила тяжести на ее поверхности будет возрастать не линейно, а как корень кубический. Так что если средняя плотность экзопланеты у звезды Глизе 876 равна земной, то сила тяжести на ее поверхности превысит земную лишь в 1,95 раза – все равно многовато, но уже легче. А если принять то же предположение, рассматривая «сверхземлю» у звезды MOA-2007-BLG-192Lb, имеющую массу 3,3 массы Земли, то выйдет, что сила тяжести составит там «всего» 1,49 земной – тренированный человек сможет выдержать ее довольно продолжительное время.

Но главное – главное! – состоит в том, что меньшие экзопланеты пока просто не открыты, а не в том, что их не существует. Взглянем на Солнечную систему – разве мелкие тела численно не преобладают в ней над крупными? Можно поставить годовое жалованье против старой подметки на то, что планеты вроде Земли, Венеры или Марса распространены в Галактике куда более широко, чем «горячие юпитеры», «экзо-нептуны» и «сверхземли». Риска проиграть никакого!

Но если у массивной экзопланеты и плотность высокая, тогда, конечно, другое дело. В 2009 году среди экзопланет объявился рекордсмен по малости размеров: диаметр экзопланеты Kepler-10b всего в 1,4 раза больше диаметра Земли, и при этом ее масса почти в 5 раз превышает земную. У этой экзопланеты потрясающе высокая средняя плотность: 8,8 г/см3 – выше плотности железа и меди! Стало быть, человек на этой экзопланете весил бы раза в два с половиной больше, чем на Земле.