Газета Троицкий Вариант # 51

Существовавшие ранее взгляды на образование планетных систем сложились под сильным влиянием единственного известного экземпляра. В теории образования Солнечной системы все логично: газово-пылевой протопланетный диск становился все более плоским и структурированным (типа колец Сатурна). Все двигалось по круговым орбитам. Ближе к Солнцу -только пыль, подальше — пыль, частицы льда и газ. За счет слипания частиц образуются глыбы, из них — зародыши планет. Тяготение крупных зародышей становится заметным, и темп роста ускоряется. Поближе к звезде, где газа мало, образуются планеты земной группы, поодаль — твердые зародыши с массой в десяток земных стягивают на себя газ, вырастая в планеты-гиганты. Вдали от звезды, где газа чуть поменьше образуются ледяные гиганты (Уран и Нептун). Процесс протекает не менее 10 миллионов лет, в результате образуется хорошо сбалансированная устойчивая система. Это, конечно, сильно упрощенная картина.

Пересмотр

Теперь известных экземпляров много, и они, как уже было сказано, не вписываются в эту картину. Во-первых, горячие юпитеры. Там, где их находят, они образоваться не могли — звезда выметает весь строительный материал из этих областей. Их открытие стимулировало теорию: был открыт эффект миграции планет. Образовавшись, планета выедает в диске кольцевую щелью. Однако она взаимодействует с веществом диска за пределами щели, и если диск достаточно массивный, то орбита планеты начинает меняться. Как правило, уменьшается, но иногда может и увеличиваться. Орбита меняется до тех пор, пока планета не мигрирует за пределы диска, например в ближайшую окрестность звезды, где все вещество выметено ее излучением и ветром. Там она и остается.

Рис. 2. Протопланетный диск со спиральным рукавом и двумя бананоподобными образованиями. Звезда HD 142527. (Из работы Fukagawa, M., Tamura, M., Itoh, Y., Kudo, T., Imaeda, Y., et al. 2006, ApJ, 636, L153)

Второй радикальный переворот в представлениях пришел с пониманием того, что протопланетный диск вовсе не обязательно должен быть столь же идеален, как кольца Сатурна. Он может быть кривым (это наблюдают), он может быть неоднородным по азимутальному углу и даже иметь спиральные рукава, подобные галактическим. Алан Босс (Институт Карнеги, США) в 1997 г. с помощью численного моделирования выявил образование спиральных рукавов в протопланетном диске и их уплотнение до той стадии, когда должна начаться гравитационная неустойчивость — прямой и быстрый коллапс больших облаков газа в планеты-гиганты без всяких твердых зародышей. Впоследствии численное моделирование провели с лучшим разрешением, что позволило проследить процесс дальше. Некое представление о нем дает рис. 3, где показана эволюция диска за очень короткий промежуток времени — буквально за несколько орбитальных периодов. Видно также, что скорость процесса очень сильно зависит от плотности диска: изменение на 10% радикально меняет картину. Итак, неустойчивость развивается мгновенно по астрономическим масштабам, и планеты-гиганты рождаются сразу многочисленными выводками, как видно из нижней правой картинки.

Рис. 3. Результаты численного моделирования гравитационной неустойчивости в протопланетном диске. Размер диска – 20 астрономических единиц, в начале диск аксиально симметричен. Верхняя пара – результат для диска плотностью на 10% меньше, чем для нижней пары. Левые картинки – распределение плотности (показано цветом) через 160 лет, правые – через 350 лет. Из работы Lucio Mayer, Thomas Quinn, James Wadsley, Joachim Stadel, Science 29, Vol. 298.

Рождением сразу многих гигантов дело не заканчивается — начинается взаимный «бильярд» за счет гравитационного взаимодействия планет. Они обмениваются импульсом, часть вышвыривается в открытый космос, пополняя множество свободно летающих планет, часть попадает на довольно близкие орбиты со сравнительно большим эксцентриситетом, каковые в основном и наблюдаются. В таком сценарии опять нет места жизни: земля, скорее всего, будет выброшена со своей орбиты. А в каком сценарии место для жизни есть?

Для выживания планет земного типа на нужных орбитах плотность протопланетного диска должна быть не слишком велика — меньше, чем требуется для массового рождения планет-гигантов и процесса миграции к звезде. Но слишком малая плотность тоже не подходит. Дело не только в том, что должны образоваться планеты земного типа. Чтобы жизнь в системе могла существовать, отсутствия юпитера в ненужном месте мало — требуется также его присутствие в нужном месте, т.е. на достаточно большой орбите. Массивная планета в системе играет роль мусорщика, очищая внутренние области от «строительного мусора», оставшегося после формирования планет. Сейчас почти весь наш мусор — за орбитой Плутона в облаке Оорта. Без Юпитера интенсивность бомбардировки Земли кометами и астероидами была бы многократно выше.