10K
Когда астрономы около двух десятилетий назад обнаружили первую экзопланету у солнцеподобной звезды, их первоначальная радость быстро сменилась растерянностью. Планета 51 Пегаса b (Беллерофонт) оказалась в полтора раза массивнее Юпитера, а ее 4-дневная орбита располагалась невероятно близко к звезде. Теоретики, изучающие формирование планет, не могли объяснить, как столь крупное тело может иметь столь близкую орбиту. Возможно, она выбивалась из общей закономерности? Но нет, сейчас нам известно большое количество «горячих Юпитеров».
Дальнейшие поиски далеких миров преподнесли ученым еще несколько сюрпризов: планеты с продолговатыми и сильно наклоненными орбитами и даже планеты, движущиеся в сторону, противоположную вращению их родительской звезды.
Охота за экзопланетами набрала обороты в 2009 году с запуском космического телескопа NASA «Kepler», который открыл более 2500 миров. «Kepler» обнаружил, что наиболее распространенным типом планет являются так называемые «суперземли» (нечто среднее между размерами Земли и Нептуна). В нашей Солнечной системе подобные отсутствуют.
В настоящее время наземные телескопы собирают свет непосредственно от экзомиров, а не обнаруживают их косвенно, как это делал «Kepler», и они тоже озадачивают астрономов. Телескопы открывают гигантские планеты в несколько раз превосходящие по массе Юпитер, удаленные от своей звезды вдвое дальше, чем Нептун от Солнца, где, как считали теоретики, они просто не могли сформироваться. До сих пор не обнаружено ни одной упорядоченной как наша звездной системы, и теоретики постоянно пытаются придумывать сценарии, которые объяснят появление ранее «запрещенных» планет на их «невозможных» орбитах.
«Это очевидные вещи, которые не укладываются в наши модели с самого первого дня. Никогда не было такого, что бы теория догнала наблюдения», – сказал Брюс Макинтош, физик из Стэнфордского университета (США).
Традиционная модель формирования как звезд, так и их планет берет свое начало еще в 18 веке, когда ученые предположили, что медленно вращающееся облако газа и пыли может разрушаться под действием собственной силы тяжести. Большая часть материала образует шар, который зажжет звезду, когда его ядро станет достаточно плотным и горячим. А оставшийся материал соберется в плоский диск. Пыль, состоящая из микроскопических вкраплений железа и других твердых частиц, является ключом к преобразованию этого диска в набор планет. Поскольку она циркулирует в охватившем ее диске, частицы иногда сталкиваются и слипаются за счет электромагнитных сил. За несколько миллионов лет пыль соберется в зерна, валуны, и в конце концов в километровые планетезимали.
В этой точке гравитация берет свое, притягивает к зародышам пыль и газ, которые разрастаются до размеров планет. К тому времени во внутренней части диска большая часть газа либо ободрана планетами, либо съедена звездой, либо сдута звездным ветром. Нехватка газа означает, что внутренние планеты в основном остаются каменистыми, с тонкими атмосферами.
Это процесс роста, известный как аккреция, быстрее протекает во внешней части диска, где достаточно водяного льда. Лед за пределами этой «линии снега» позволяет протопланетам консолидировать быстрее. Он успевает построить твердые ядра (до 10 раз более массивные, чем Земля) до того, как диск потеряет свой газ. Это позволяет формироваться планетам с плотной атмосферой, как у Юпитера (поиск твердого ядра у самой большой планеты Солнечной системы будет одной из задач космического аппарата «Juno»).
Этот сценарий, естественно, описывает эволюции планетарных систем, подобных нашей: малые, каменистые планеты с тонкой атмосферой близко к звезде, и газовые гиганты сразу за границей вечных снегов. Кроме этого, гиганты становятся все меньше и меньше по мере удаления от звезды, так как их медленное вращение по своим орбитам замедляет сбор материала. Все планеты остаются примерно там, где образовались, на круговых орбитах в одной плоскости. Красиво и аккуратно.
Но открытие «горячих Юпитеров» показало, что что-то неладно с этой теорией. Образоваться так близко к звезде казалось невероятным. Неизбежным выводом является то, что они сформировались дальше, а затем мигрировали.
Здесь теоретики придумали два возможных механизма перетасовки планет. Первый требует наличия огромного количества материала в диске после того, как сформировалась гигантская планета. Гравитация будет искажать диск, создавая зоны повышенной плотности, которые в свою очередь, окажут гравитационное воздействие на планету, постепенно перетаскивая ее к звезде.
Некоторые наблюдения поддерживают эту идею. Соседние планеты зачастую имеют гравитационную связь, известную как орбитальный резонанс. Он возникает, когда длина их орбит соотносятся как небольшое натуральное число. Плутон, например, обходит Солнце два раза за три оборота Нептуна. Маловероятно, что это случайность, и они, возможно, когда-то дрейфовали запертыми в дополнительной стабильности. Миграция в ранней истории нашей Солнечной системы могла бы объяснить остальные странности, в том числе и малый размер Марса и пояс астероидов. Исходя из этого, теоретики предположили, что Юпитер изначально сформировался ближе к Солнцу, затем ушел внутрь почти до орбиты Земли, и вновь унесся на свое нынешнее местоположение.
Есть ученые, которые находят сценарий миграции слишком сложным и нереалистичным. «Я верю в бритву Оккама», – сказал Грег Лафлин, астроном из Калифорнийского университета (США). Он уверен, что планеты с большей вероятностью находятся на своих местах и не дергаются. «Возможно, протопланетные диски, у которых имеются большие планеты на близких орбитах, содержали гораздо больше материала, чем мы привыкли считать. Какое-то движение конечно может возникнуть, достаточное, чтобы объяснить резонанс, но не стоит эти тонкие настройки ставить на поток», – пояснил Грег Лафлин.
Другие уверены, что там просто не может быть достаточного количества материала, чтобы сформировать планеты, подобные 51 Пегаса b. «Они не могут там образоваться. Кроме этого большое количество планет с вытянутыми, наклоненными или даже обратными орбитами подразумевают планетную перетасовку», – сказал Джошуа Уинн из Массачусетского технологического института (США).
Некоторые теоретики в попытках объяснить наблюдения прибегают к гравитационному бою, а не к степенной миграции. Массивные диски могут породить множество близких друг к другу планет, и гравитационная схватка между ними швырнет некоторых из них на звезду, других на странные орбиты, а третьих прочь из системы. Еще одним потенциальным нарушителем спокойствия является спутник звезды на вытянутой орбите. Большую часть времени он будет слишком далеко, чтобы оказывать влияние, но приблизившись, способен навести шороху. Или же, если родительская звезда является членом дружного звездного скопления, соседняя звезда во время своей прогулки может подойти слишком близко и посеять хаос. «Есть много способов сломать систему», – сказал Джошуа Уинн.
Удивительным открытием «Kepler» стало то, что 60% солнцеподобных звезд имеют на своих орбитах суперземли. Это требует совершенно новых теорий. Большинство суперземель, считается, в основном состоят из твердых пород и металла с небольшим количеством газа и вращаются близко к своим светилам. Например, система Kepler-80 имеет четыре таких экзопланеты с орбитами в 9 и менее дней. Традиционная теория утверждает, что аккреция во внутренней части диска слишком медленная, чтобы породить такие большие миры. Плюс к этому суперземли редко встречаются в резонансных орбитах, что не поддерживает теорию миграции.
Ученые и тут придумали способ выйти из ситуации. Одна из идей заключается в ускорении аккреции через процесс, известный как каменная аккреция. Диск, богатый газом, оказывает большое сопротивление маленьким каменным объектам, замедляя их. Это заставляет их дрейфовать по направлению к звезде. Если на своем пути они будут проходить планетезимали, низкая скорость позволит им быть захваченными. Но быстрая аккреция и богатые газом диски создают новую проблему: достигнув определенного размера, суперземли должны притянуть к себе плотную атмосферу. «Как они сдерживают себя от превращения в газовых гигантов?» – задается вопросом Роман Рафиков, астрофизик из Принстонского института перспективных исследований (США).
«Нет никакой необходимости в ускоренной аккреции. Если внутренняя область в 10 раз плотнее диска, из которого родилась Солнечная система, то в ней легко может образоваться одна или несколько суперземель. И они не соберут слишком много газа, так как он уже рассеется к моменту их окончательного формирования», – парировал Юджин Чанг, астроном из Калифорнийского университета (США).
У Чанга также есть объяснение и другому удивительному открытию «Kepler»: «раздутым» планетам. Редкие и столь же проблематичные миры, которые легче, чем суперземли, но обладают огромными раздутыми атмосферами, которые составляют 20% их массы. Такие экзопланеты, как полагают теоретики, формируются в богатом газом диске. Однако, в его внутренней части теплый газ будет бороться со слабой гравитацией планеты, так что холодный и плотный газ внешнего диска является более правдоподобным кандидатом для их оболочек. В данном случае Юджин Чанг прибегает к миграции, чтобы объяснить их близость к звезде. Кроме того, она подтверждается и тем фактом, что «раздутые» часто оказываются запертыми в орбитальном резонансе.
Основное внимание при исследовании экзопланет до сих пор сосредоточено на внутренних областях протопланетных дисков, примерно в пределах расстояния, эквивалентного орбите Юпитера. Это связано с тем, что их можно увидеть всеми существующими методами. Близкие же к звездам миры находят двумя основными косвенными способами: изменения в яркости и колебания светил. Но прямая визуализация близкой экзопланеты крайне сложна, так ее затмевает родительская звезда, которая может быть в миллиарды раз ярче цели.
Однако, расширяя пределы крупнейших телескопов мира, астрономы смогли непосредственно увидеть несколько планет. И за пару последних лет два новых инструмента, разработанных специально для получения изображений далеких миров, присоединились к охоте. Европейский «Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch» (SPHERE) и американский «Gemini Planet Imager» (GMI) установлены на больших телескопах в Чили и используют сложные маски (коронографы), блокирующие свет звезды.
Одной из самых ранних и поразительных систем, найденных путем прямой визуализации, является HR 8799. Четыре огромных планеты, превышающие по массе Юпитер более чем в пять раз, вращаются на «невозможно» далеких расстояниях от звезды (от орбиты Сатурна до орбиты, вдвое превышающей орбиту Нептуна). Согласно теории, столь удаленные экзомиры движутся очень медленно, и они не могут накопить массу больше Юпитера, прежде чем диск рассеется. Тем не менее, хорошие круговые орбиты экзопланет предполагают, что они не были выброшены туда из близких регионов системы.
Такие далекие гиганты оказали поддержку наиболее радикальной теории, бросающей вызов стандартной. Согласно ей, некоторые планеты образуются не за счет аккреции, а с помощью процесса, называемого гравитационной неустойчивостью. Этот процесс требует протопланетного диска богатого газом, который распадается на сгустки под действием собственной гравитации. С течением времени эти сгустки превращаются непосредственно в гигантские планеты, у которых в первую очередь отсутствует твердое ядро. Модель предполагает, что механизм будет работать только при определенных условиях: газ должен быть холодным, не должен вращаться очень быстро и должен эффективно терять тепло. «Можно ли этим объяснить планеты HR 8799? Да, но только две далекие холодные», – сказал Роман Рафиков.
В прошлом наблюдения радиотелескопами протопланетных дисков обеспечили некоторую поддержку гравитационной неустойчивости. Имея чувствительность к холодным газам, радиотелескопы увидели в дисках запутанные, ассиметричные сгустки. Но последние изображения, полученные комплексом радиотелескопов «Atacama Large Millimeter Array» (ALMA), рисуют другую картину. ALMA чувствителен к более коротким длинам волн, которые поступают из пылевых частиц в плоскости диска. Его образы звезд HL Тельца в 2014 году и TW Гидры в 2015 году показали гладкие, симметричные диски с темными круглыми «просветами», которые выходят далеко за орбиту Нептуна. «Это стало огромным сюрпризом. В дисках не было беспорядка, они имеют приятную, регулярную, красивую структуру. Это удар по сторонникам гравитационной неустойчивости. Природа умнее, чем наши теории», – пояснил Роман Рафиков.
Сейчас рано говорить о том, какие еще сюрпризы преподнесут SPHERE и GMI из внешних пределов планетарных систем. Но области между этими отдаленными районами и близкими орбитами «горячих Юпитеров» и суперземель упорно остаются вне досягаемости: слишком близко к звезде для прямой визуализации и слишком далеко для косвенных методов. В результате, теоретикам пока сложно получить полную картину. «Мы основываемся на отрывках и неполных наблюдениях. Прямо сейчас, наверно, все неправильно», – сказал Грег Лафлин.
Однако, астрономам не придется долго ждать. В следующем году NASA запустит «Transiting Exoplanet Survey Satellite» (TESS), а Европейское космическое агентство (ESA) «Characterizing Exoplanets Satellite» (CHEOPS). В отличие от миссии «Kepler», которая обследовала большое количество звезд, проводя перепись населения, TESS и CHEOPS будут сосредоточены на ярких, близких, солнцеподобных звездах, что позволит исследователям изучить «средние» орбиты. А поскольку мишени будут недалеко от Земли, наземные телескопы должны будут в состоянии оценить их массу, с помощью которой ученые рассчитают плотность и укажут, являются ли они каменистыми или газообразными.
Космический телескоп NASA «James Webb», запуск которого назначен на 2018 год, пойдет еще дальше. Он будет анализировать свет звезды, проходящий через атмосферу экзопланеты, что позволит определить ее состав. «Это является важным ключом к формированию планеты. Например, наличие более тяжелых элементов в атмосфере суперземли подскажет, что диск, богатый этими элементами. необходим для быстрого образования планетарного ядра», – пояснил Брюс Макинтош. В следующем десятилетии к поиску подключатся космические аппараты, такие как «Wide Field Infrared Survey Telescope» (WFIRST) от NASA и «Planetary Transits and Oscillations» (PLATO) от ESA, а также новое поколение огромных наземных телескопов с 30-метровыми (и более) зеркалами.