Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Образуясь из частиц пыли в протопланетном диске, каждая планета состоит из твердых тел, которые окружали ее в процессе формирования. Например, в случае с Меркурием это привело к образованию объекта, который состоит преимущественно из железа[5]. С учетом небольшого размера Меркурия, из-за которого гравитационные силы сжимают его не так сильно, как Землю, наличие большого количества тяжелого вещества в составе этой планеты обеспечивает ей самую высокую плотность в Солнечной системе. Плотность планет, которые находятся на большем удалении от Солнца, оказывается несколько ниже, поскольку в состав доступных частиц пыли входит больше различных молекул, но при этом эти планеты остаются каменистыми. А как только мы пересекаем снеговую линию, диск заполняют льды с низкой плотностью. Благодаря резкому увеличению количества вещества из него могут формироваться более крупные объекты, которые однажды могут стать ядрами планет-гигантов.

Впрочем, даже если приведенное описание не противоречит идее о том, что планета образуется из находящихся поблизости частиц пыли, оно не объясняет, как они соединяются вместе.

Клей-карандаш

Взвешенные в газе частицы пыли сбить с пути истинного легче, чем ребенка в кондитерском отделе. Это как раз то что нужно для формирования планеты, ведь если бы пыль оставалась на строго круговых орбитах, столкновения происходили бы редко, а до образования крупных объектов дело никогда бы не доходило. Нам повезло, что у пыли есть авантюрные наклонности, которые заставляют частицы отклоняться от круговых орбит, переходя дорогу другим частицам.

Впервые этот тип аномального движения наблюдал в 1827 г. ботаник по имени Роберт Броун, изучавший поведение частиц пыльцы при нахождении во взвешенном состоянии в воде. Броун заметил, что частицы движутся беспорядочно, но ответить на вопрос о причине этого движения так и не смог. И только в начале следующего столетия проблему распутал Альберт Эйнштейн, который понял, что о пыльцу ударялись молекулы воды. Эйнштейн бы мог получить Нобелевскую премию за это открытие, поскольку оно подтверждало существование атомов и молекул, но он уже получил ее пятью годами ранее за совершенно другое исследование. Вместо него в 1926 г. награду получил французский физик Жан Батист Перрен, который экспериментально подтвердил предложенное Эйнштейном объяснение. Наблюдений Роберта Броуна оказалось недостаточно для какой-нибудь награды, но само явление было названо в честь него броуновским движением.

В протопланетном диске роль молекул воды, которые хаотично движутся вокруг маленьких частиц пыли, выполняет газ. Помимо броуновского движения на частицы пыли также воздействует собственное некруговое движение газа, вызываемое пронизывающим диск магнитным полем. Наконец, небольшие карманы газа чуть большей плотности тоже могут становиться источниками слабого гравитационного притяжения для легко поддающихся его воздействию крошечных частичек.

О силе, заставляющей притягиваться две сталкивающиеся частицы в самом начале процесса образования планеты, мы знаем несколько больше. Размер частиц пыли, сконденсировавшихся в протопланетном диске, равен одной десятой размера песчинки, то есть он измеряется в микрометрах (тысячных долях миллиметра). При движении на скоростях ниже 1 м/с эти частицы могут удерживаться вместе электрическим зарядом их атомов, образуя неплотную массу.

Песчинка пыли состоит из молекул, например льда или силиката, которые нейтральны и не имеют ни общего положительного, ни общего отрицательного электрического заряда. Каждая из этих молекул состоит из двух или более атомов, в центре которых находится положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Однако электроны не статичны. Напротив, они перемещаются по молекуле, в результате чего там, где они собираются на короткое время, появляется небольшой отрицательный заряд, тогда как противоположная сторона молекулы становится положительно заряженной. Отрицательно заряженный конец молекулы может притягивать положительно заряженный конец соседней молекулы, удерживая их вместе. Эту силу, обусловленную небольшой асимметрией электрических зарядов, называют вандерваальсовой силой в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Сама по себе эта сила достаточно слаба и потому эффективна только при очень легких столкновения частиц пыли. В остальных случаях мы сталкиваемся (метафорически и буквально) с проблемами.

В масштабах микрометров первоначальное беспорядочное движение частиц пыли происходит настолько медленно, что вандерваальсовых сил оказывается достаточно для того, чтобы удерживать сталкивающиеся частицы вместе. Проблема в том, что частицы пыли увеличиваются в размерах, а значит, увеличивается и скорость столкновения. Как только микрометровые частички становятся миллиметровыми гигантами, вандерваальсовы силы уже не могут их удерживать. В результате при столкновении частицы отскакивают.