Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Сказать, что научный мир был повергнут в состояние шока, – ничего не сказать. Планетная система 51 Пегаса оказалась совершенно непохожей на Солнечную систему. Осенью 1995 года Майор и Квелоц доложили о своем открытии на конференции в Италии, а планеты условились называть по имени звезды с добавлением буквы «b» для первой найденной планеты, «с» – для второй и так далее. Поначалу астрономы тешили себя надеждой, что швейцарцев угораздило наткнуться на какую-то аномалию, небывалую редкость в мире планет, однако последующие находки заставили взглянуть на вещи по-иному. Очередная экзопланета имела массу вчетверо большую, чем у Юпитера, а период ее обращения вокруг материнской звезды (то есть год) оказался еще короче – 3,3 суток. Впоследствии планеты подобного типа стали называть «горячими юпитерами». Правда, в 1996 году американским астрономам Д. Марси и П. Батлеру вроде бы удалось обнаружить планетную систему, отчасти напоминающую Солнечную, у звезды ипсилон Андромеды (?And), однако более внимательный анализ показал, что сходство это кажущееся. В системе ?And вокруг материнской звезды кружатся три весьма увесистые планеты, причем масса ближайшей из них немного меньше массы Юпитера, а две другие тяжелее нашего газового гиганта в два и четыре раза соответственно. Первая (самая легкая) планета – типичный «горячий юпитер» с радиусом орбиты 0,06 а. е., а вот две другие лежат на вполне приличных расстояниях – 0,9 и 2,5 а. е. Однако орбиты этих далеких экзопланет не имеют ничего общего с орбитами планет Солнечной системы, поскольку обладают весьма значительным эксцентриситетом. К сожалению, опять неувязочка. Список внесолнечных планет продолжал неуклонно пополняться, и к середине марта 2007 года насчитывалось уже 182 звезды, обремененные планетами. А поскольку в некоторых системах удалось обнаружить несколько планет, их общее количество превысило число 200.
Таким образом, на сегодняшний день астрономы располагают пусть ограниченной, но все же достаточно обширной статистикой, на основании которой можно утверждать, что примерно 4 % звезд, близких к Солнцу по спектральным свойствам, обладают планетными системами или одиночными планетами. У чуть более горячих и чуть более холодных звезд классов F и К (напомним, что наше Солнце относится к классу G) планет обнаружено совсем мало. Разумеется, это не означает, что у горячих белых и голубых звезд планеты отсутствуют в действительности; просто метод лучевых скоростей не универсален и плохо работает, если звезда имеет неспокойную фотосферу.
Но самая главная проблема заключается в том, что практически все новооткрытые экзопланеты или планетные семейства демонстрируют разительное отличие от Солнечной системы и ее планет. Только в единичных случаях удалось обнаружить планеты, обращающиеся по круговым или почти круговым орбитам на достаточном удалении от материнской звезды. Все прочие либо крутятся, как безумные, впритык к своему солнцу, разогреваясь до сотен и тысяч градусов (а ведь речь идет о газовых гигантах размером с Юпитер, а то и больше), либо находятся на резко эксцентрических орбитах, больше напоминающих орбиты комет. Что бы вы сказали о планете, в несколько раз превосходящей по массе Юпитер, которая то приближается к материнской звезде почти вплотную, то улетает за орбиту Нептуна? А между тем именно так сплошь и рядом устроены планетные семейства чужих солнц.
В последнее время астрономы заговорили об «очень горячих юпитерах». Одна такая планета, в полтора раза превышающая Юпитер по массе, была сравнительно недавно обнаружена у звезды солнечного типа. Она расположена на расстоянии 3,3 миллиона километров (0,02 а. е.) от родительской звезды (среднее расстояние Меркурия от Солнца – 58 миллионов километров) и обращается вокруг нее за рекордно короткий срок – 1,2 суток. Материнская звезда с поверхности этой уникальной планеты выглядит как невообразимо огромный, пышущий испепеляющим огнем шар (в 50 раз больше в поперечнике, чем Солнце на земном небосклоне).
Необычные планетные семейства других звезд решительно противоречат общепринятой теории образования планетных систем, согласно которой Солнце и планеты родились из газово-пылевого диска практически одновременно. Все планеты Солнечной системы распадаются на две большие группы: сравнительно небольшие твердые шарики с высокой плотностью, сложенные скальными породами, и газовые гиганты, чья средняя плотность мало отличается от плотности воды. Разница между большими и малыми планетами объясняется тем, что газовые гиганты рождались в центральной части протозвездного облака путем постепенного налипания огромных масс газа на первичное ледяное ядро, а малые планеты формировались на ближней и дальней периферии газово-пылевого диска, где вещества было весьма негусто. Образование планет земной группы мыслится как результат многократных столкновений и слияний так называемых планетазималей (планетных зародышей) с последующим их разогревом за счет радиоактивных элементов, осевших в ядрах твердых планет. Поскольку первичное газово-пылевое облако имело форму вращающегося вокруг вертикальной оси диска с утолщением в центре, орбиты всех планет должны представлять собой почти правильные окружности и лежать в одной плоскости. Во всяком случае, так гласит общепринятая теория планетообразования.
Между тем экзопланеты и экзопланетные семейства упорно не желают вписываться в сию идиллическую картину, поэтому астрофизикам и планетологам приходится подыскивать другие объяснения. И если необычные свойства первых внесолнечных планет поначалу рассматривались как некая аномалия, то новые открытия побуждают задуматься о том, что аномалией, скорее всего, следует считать нашу Солнечную систему. Чтобы объяснить феномен «горячих юпитеров», был предложен механизм миграции, представляющий собой медленное сползание планет с высоких орбит, где они первоначально образовались, на орбиты низкие, околозвездные. То обстоятельство, что они ни в коем случае не могли родиться в непосредственной близости от материнской звезды, где и находятся по сей день, у большинства планетологов сомнений не вызывает. Дополнительным аргументом в пользу «далекого» рождения «горячих юпитеров» являются обнаруженные астрономами газово-пылевые облака в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезды всегда чисто подметена, свободна от пыли и газа, потому что плотность звездного излучения здесь настолько высока, что напрочь выметает весь мусор на периферию. Поэтому материал, из которого формируются низкоорбитальные «горячие юпитеры», может находиться только на расстоянии не меньше пяти астрономических единиц от родительской звезды. По всей видимости, механизм миграции включается очень рано, а события развиваются весьма стремительно: едва успев родиться, планеты начинают скользить по пологой спирали к своему солнцу, пока приливные взаимодействия звезды и планеты не стабилизируют орбиту «горячего юпитера» вплотную к звезде. Впрочем, вполне возможен и другой сценарий: гравитация материнской звезды постоянно тормозит планету, пока та не рухнет по суживающейся спирали на свое солнце и не сгорит в его недрах.
Притиснутые вплотную к родительской звезде, газовые гиганты являются настолько заурядным явлением, что остается только развести руками. Феномен Солнечной системы не находит внятного объяснения. Доктор физико-математических наук Л. Ксанфомалити, сотрудник Института космических исследований РАН, пишет об этом следующим образом: «Внесолнечные планеты предлагают теоретикам столько вопросов, что впору всю теорию образования планет писать заново. А наивный вопрос: почему миграции нет в нашей Солнечной системе? – им лучше не задавать». Тем более не стоит спрашивать специалистов о других физических параметрах экзопланет. Принимая за точку отсчета Солнечную систему, мы вправе предположить, что средняя плотность газовых гигантов возле чужих солнц (горячие они или холодные – принципиального значения не имеет) должна укладываться в знакомые величины, мало отличающиеся от плотности воды. Однако не тут-то было! Средняя плотность массивных экзопланет «плавает» в очень широких пределах – от половины плотности Юпитера до нескольких плотностей Сатурна. Например, одна из таких планет, ощутимо уступающая Юпитеру в диаметре, основательно превосходит его по массе, из чего следует предположить, что она обладает увесистым ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 0,7 массы новой экзопланеты. Газовые гиганты в Солнечной системе не могут похвастаться столь плотным ядром, так что в стандартной теории происхождения планет этот факт не находит вразумительного объяснения.
Феномен «горячих юпитеров» астрофизики с грехом пополам объяснили, но остаются еще «холодные юпитеры», сплошь и рядом описывающие вокруг материнской звезды настолько растянутые эллипсы, которые больше пристали долгопериодическим кометам, время от времени улетающим в никуда. Правда, компьютерное моделирование вроде бы помогло пролить свет на эволюцию планетной системы ипсилон Андромеды («горячий юпитер» на низкой орбите и две далекие планеты с отчетливым эксцентриситетом орбит). С другой стороны, модели моделям рознь. Например, сотрудники Вашингтонского университета в Сиэтле почему-то пришли к выводу, что большинство экзопланет, сходных по размерам с Землей (на всякий случай для справки: ни одна такая планета пока что не наблюдалась, ибо их обнаружение лежит за пределами современных астрофизических методов), должны быть водными мирами. Они тасовали различные сценарии планетогенеза, и каждый раз на дисплее возникали четыре землеподобные планеты, самая маленькая из которых была впятеро меньше Земли, а самая большая – в четыре раза больше. При компьютерном моделировании на этих виртуальных землях накапливалось невероятное количество воды – в 300 раз больше, чем на реальной Земле, так что вся их поверхность должна быть покрыта впечатляющим океаном многокилометровой глубины.
