Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Когда же дело касается массы Марса, нам не остается ничего, кроме как признать собственное невежество. Обычно первая мысль, которая возникает в связи с этим, состоит в том, чтобы попытаться компенсировать недостаток массы Марса материей из Главного пояса астероидов. К сожалению, ничего не получится. Масса всех астероидов, движущихся по орбитам в пространстве между Марсом и Юпитером, составляет около 0,5 % массы Земли. Это довольно мало. Летай Хан Соло на Millennium Falcon не через астероидное поле Хота, а через пояс астероидов Солнечной системы, он, скорее всего, не увидел бы в иллюминатор ни один объект. Даже когда мы проектируем космические аппараты для полетов к внешним планетам Солнечной системы, вероятность столкновения с астероидом никто не принимает хоть сколько-нибудь всерьез. Таким образом, малую массу Марса можно объяснить только малым количеством материала, которое имелось на орбите во времена формирования этой планеты. И единственная планета, которая может быть за это ответственна, – Юпитер. Но Юпитер находится достаточно далеко от Марса, чтобы оказать такое сильное влияние на процесс его формирования. В 2009 году вышла статья, где обсуждались начальные условия, при которых без привлечения неизвестной физики Марс мог получить современную величину своей массы⁶¹. Однако условия получились такими нереалистичными, что авторы вынуждены были заявить о необходимости искать другое объяснение. Впоследствии стало понятно, что его можно найти в, казалось бы, забытой гипотезе о миграции планет.

Еще с Античности люди привыкли думать, что орбиты планет всегда были неизменны. Однако сегодня мы должны пересмотреть эти представления. Гипотезу о том, что орбиты планет могут эволюционировать, по-видимому, впервые высказали еще Питер Голдрайх и Скотт Тремейн в статье 1980 года⁶². Эта статья поначалу казалась математическим курьезом. У себя дома, в Солнечной системе, мы не могли увидеть подтверждения изложенных там предположений. Но все изменилось, когда 15 лет спустя произошло открытие горячих юпитеров, ключом для понимания которых стала планетарная миграция. С тех пор гипотеза о миграции была развита и расширена.

Миграция планет стала основной гипотезой, объясняющей формирование и строение планетных систем. О ней любят говорить как о факте, но на сегодняшний день никаких наблюдаемых доказательств миграции планет нет. Обратите на это внимание. Да, существование горячих юпитеров и строение Солнечной системы сложно объяснить, не прибегая к «помощи» миграций, однако астрономы находят самые разнообразные конфигурации орбит в экзопланетных системах, и не все эти конфигурации можно объяснить гипотезой о миграции.

Считается, что в основе миграции планет лежат три различных физических механизма. Эти механизмы могут осуществляться с большей или меньшей эффективностью в зависимости от массы планеты, плотности газа в диске, типа родительской звезды и других характеристик протопланетного диска. И вызваны они взаимодействием планеты с главными составляющими протопланетного диска: газом, планетезималями или другими уже сформировавшимися планетами, находящимися в непрерывном движении вокруг родительской звезды.

Первый из этих механизмов связан с влиянием газа на формирующуюся планету. Сегодня нам известно, что приливное взаимодействие планеты с окружающим ее газом может как тянуть ее внутрь диска, так и толкать наружу. Различают миграции I и II типов[45]. Миграции I типа подвержены относительно маломассивные планеты (от нескольких масс Земли до нескольких масс Нептуна). Находясь в диске, планета не меняет структуру протопланетного диска, но становится центром, на который аккрецирует газ из ближайших регионов диска. Аккрецирующий газ формирует две волны плотности: одна закручена из внешних областей диска, а другая из внутренних. Эти волны начинают воздействовать на планету приливными силами. Дисбаланс между приливными силами от этих двух волн заставляет планету или терять свой момент импульса и перемещаться внутрь системы, к своей родительской звезде, или же, наоборот, приобретать дополнительный момент импульса и перемещаться наружу.