Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

С изменением скорости газа неизбежно меняется и его орбита таким образом, чтобы равновесие между круговой скоростью и силой притяжения звезды могло вновь восстановиться. Теперь скорость газа между планетой и звездой оказывается ниже, в результате чего он отдаляется от планеты и перемещается ближе к звезде. Тем временем, набрав скорость, газ с внешней стороны планеты начинает удаляться от нее в противоположном направлении. В результате вокруг планеты образуется область, в которой плотность газа существенно ниже, чем в остальных частях диска.

Если сфера действия гравитационного притяжения планеты выходит за пределы протопланетного диска сверху и снизу, этот разрыв может сохраняться в течение определенного времени. Планета настолько велика, что газ не может проникнуть в образовавшуюся дыру — его скорость меняется, и он выталкивается обратно. Таким образом, разрыв не заполняется и продолжает блокировать поток газа до момента исчезновения газового диска.

После того, как атмосфера прекращает расширяться, планета сжимается, поскольку атмосфера продолжает охлаждаться и опускаться вниз. Плотность атмосферы увеличивается, сжимать ее становится все труднее, она начинает сопротивляться сдавливающим ее силам. В глубине атмосферы газового гиганта давление газа в результате сжатия достигает значений, при которых водород превращается в необычный жидкий металл. Эти колоссальные силы заметно замедляют процесс сжатия Юпитера и Сатурна: по имеющимся у нас данным Юпитер сжимается на 1 мм в год. Но даже столь незначительного сокращения объема достаточно для нагревания планеты, которая излучает больше энергии, чем получает от Солнца.

Описанный механизм формирования газового гиганта называют моделью аккреции на ядро, так как в ее основе лежит идея активной аккреции газа на поверхность твердого ядра. Интригует то, что он очень похож на механизм формирования планет земного типа, за исключением того, что связано с активным формированием атмосферы. Но время, которое требуется для его завершения, уже не кажется столь интригующим.

Первоначально считалось, что формирование Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна на их текущих орбитах продолжалось дольше 10 млн лет, что казалось невозможным, ведь к концу этого периода от газового диска уже ничего не должно было остаться. Поначалу осознание обозначенной проблемы привело к признанию невозможности аккреции на ядро, но благодаря корректировке модели после ряда новых открытий был сделан вывод о меньшей длительности периода образования четырех планет.

Первая корректировка связана с простым уточнением первоначальных расчетов модели. Скорость охлаждения газа отчасти определяется тем, слипаются ли частицы пыли при попадании в атмосферу, оседая на поверхность, или же они остаются во взвешенном состоянии в газе. Во втором случае образуемый частицами туман предотвращает утечку тепла (речь идет о повышении степени непрозрачности атмосферы), что замедляет процесс охлаждения. При оседании пыли на поверхность ядра охлаждение ускоряется, и атмосфера быстро переходит к стадии неудержимого расширения.

Более радикальное решение — переместить планету. В основе работы планетного буксира лежит тот же механизм, что обеспечивает образование разрывов в протопланетном диске. Пока планета притягивает газ, создавая условия для образования разрыва, газ, в свою очередь, тащит ее в обратном направлении. Газ внутри орбиты увлекает планету вперед, а та старается затормозить его, тогда как газ на внешней стороне орбиты тормозит планету, пока другие силы тянут ее вперед. Если газ на внешней стороне орбиты и газ внутри нее тянут с одинаковой силой, на планете это никак не отражается. Однако планета движется немного быстрее газа внутри орбиты, поскольку она не подвержена давлению. Это приводит к тому, что тормозящий газ оказывается ближе к поверхности планеты, одерживая верх над внутренними силами ускорения. Поэтому планета замедляется и получает направленный внутрь импульс.

При перемещении планеты по диску она сталкивается с новым скоплением планетезималей. Благодаря новой порции питания скорость аккреции снова возрастает, что приводит к сокращению времени, необходимого для начала коллапса, ни много ни мало в 10 раз. В этом сценарии планета вроде Юпитера начинает формироваться на расстоянии приблизительно 8 а.е., а затем перемещается к своему текущему положению на расстоянии 5 а.е., захватывая, как будто тралом, все объекты на своем пути. С открытием экзопланет идея о миграции планет стала ключевым элементом теорий их образования, выступая одновременно как в качестве фактора, способствующего процессу формирования, так и в качестве одного из главных препятствий на его пути.

Относительно недавно было высказано предположение о существовании еще одного механизма, обеспечивающего ускоренный набор массы газовыми гигантами. Согласно теории аккреции обломков, поглощение каменистых объектов меньшего размера позволяет планете расти быстрее, чем при слипании с крупными планетезималями.