Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №06 за 2009 год
Для областей диска за «линией льда», то есть на таком расстоянии от звезды, где могут, не испаряясь под действием солнечного излучения, существовать ледяные частицы, возможен другой механизм, основанный на электрическом, а не магнитном притяжении. Американские исследователи под руководством химика Джеймса Коуина обратили внимание на то, что при конденсации водяного пара в условиях высокого вакуума и низких температур образующиеся кристаллики льда спонтанно поляризуются: один край несет положительный заряд, а другой — отрицательный. Летящие по соседству пылинки могут притягиваться противоположно заряженными краями, а сойдясь вплотную, соединяться силами молекулярного притяжения. Образовавшаяся конструкция вновь оказывается поляризованной, и агрегация пылинок продолжается дальше.
Правда, у поляризованных пылинок есть враг — ионы и свободные электроны, которые притягиваются к заряженным концам и нейтрализуют их. Поэтому эффективность электростатического механизма слипания пылинок зависит от степени ионизации протопланетного диска. А она, в свою очередь, возникает под воздействием жесткого излучения соседних звезд. И тут важную роль играет слоистая структура протопланетного диска. Большая часть жесткого излучения поглощается в его внешнем слое, так что в глубине, где находится тонкий пылевой субдиск, ионов должно быть не слишком много и пылинки успевают заметно подрасти.
Группа Коуина также обнаружила, что лед, образующийся при вакуумной конденсации, имеет нанопористую структуру и, несмотря на твердость, оказывается удивительно неупругим: в лабораторных экспериментах при неразрушающем соударении в тепло переходило 80—90% энергии удара. Если пылинки в протопланетном диске покрыты таким льдом, они будут слипаться гораздо охотнее обычных песчинок.
Впрочем, есть и не столь экзотичные идеи. Пылинки могут быть просто покрыты тонким слоем органических соединений, образовавшихся на них еще в межзвездной среде. При нагреве в протопланетном диске органика может обволакивать пылинки тонким слоем вязкой липкой грязи, за счет которой они будут легко склеиваться друг с другом.
Рост олигархов
Слипание пылинок идет довольно быстро. Уже через 10 000 лет пылевые агрегаты вырастают до метровых размеров, а через 100 000 в диске движется порядка триллиона (1012) километровых планетезималей. Они уже достаточно массивны, чтобы проявлять гравитационные «амбиции» и «фокусировать» на себе широкий поток частиц, которые в противном случае пролетели бы мимо. Работая в режиме такого орбитального пылесоса, планетезимали могут ускорять свой рост в десятки и сотни раз. И чем крупнее планетезималь, тем быстрее она растет. Поэтому однажды отставшие уже вряд ли смогут догнать лидеров. Наступает так называемая эпоха олигархического роста.
Из всего множества планетезималей выделяются «олигархи», которые доминируют над прочими объектами в своей «зоне питания» — узком кольце диска вблизи орбиты, по которой они движутся. С исчерпанием запасов пыли рост большинства планетезималей замедляется, и только «олигархи» продолжают увеличиваться, поглощая мелких «конкурентов». Примерно за миллион лет в системе остается сотня-другая таких объектов с массой как у Луны или Марса. Это зародыши планет — протопланеты. Теперь в течение сотни миллионов лет им предстоит вести между собой борьбу за лидерство.
Двигаясь по близким траекториям, зародыши планет возмущают орбиты друг друга. Они все сильнее отклоняются от своих прежних «зон питания», переходя порой на вытянутые орбиты, которые, пересекаясь, ведут к столкновениям. Эти катастрофы совсем не похожи на взрывы. Хотя скорость столкновения достигает нескольких километров в секунду, тысячекилометровые протопланеты неспешно вминаются друг в друга. Процесс занимает от нескольких минут до часа, и почти вся энергия удара переходит в тепло. Вещество плавится, и в нем начинается медленное гравитационное фракционирование: железо и никель «тонут», образуя ядра будущих планет, а соединения полегче, в основном силикаты и лед, поднимаются ближе к поверхности. Конечно, при особенно сильных ударах, которые чаще случаются во внутренней части диска, где выше скорость орбитального движения, часть вещества может быть выброшена в окружающее пространство. Возможно, именно так, за счет ударной потери внешних силикатных пород, у Меркурия образовалось непропорционально большое железное ядро, а у Земли появился спутник — Луна. Итог этого длительного процесса — одна или несколько планет, которые обращаются на достаточно далеких друг от друга орбитах, чтобы никогда не вторгаться в чужую зону влияния.
Выдающийся американский космогонист Джордж Уэзерилл в конце 1980-х годов разработал одну из первых программ для моделирования процесса укрупнения планетезималей. Сегодня в подобные численные модели вводят различные предположения о начальных условиях в диске и свойствах планетезималей и смотрят, как распределятся зародыши планет по орбитам и какой у них будет состав. Продолжив моделирование, можно получить строение готовой планетной системы.
Пьер Симон Лаплас (1749—1827), автор первой астрофизической космогонии
Джеймс Джинс (1877— 1946), автор катастрофической космогонической теории
Отто Юльевич Шмидт (1891—1956), основатель советской космогонической школы
Ханнес Альфвен (1908— 1995) открыл роль электромагнитных явлений в космогонии
Виктор Сафронов (1917—1999), ученик Шмидта, разработал классический космологический сценарий
Аластер Кэмерон (1925—2005), автор двух конкурирующих гипотез о происхождении планет-гигантов
Фред Хойл (1915—2001), изучал турбулентные процессы в протопланетном диске
Джордж Уэзерилл (1925—2006), научился численно моделировать эволюцию облака планетезималей
Гипотезы кэмерона
Описанный механизм удовлетворительно объясняет появление твердых планет земного типа. Они почти целиком формируются из пылевой составляющей диска, на которую приходятся доли процента его массы. Газ не удерживается возле относительно небольших протопланет, находящихся в теплой центральной части системы. Иначе развиваются события за «линией льда», которая в Солнечной системе проходит примерно по поясу астероидов между Марсом и Юпитером. За ней вода конденсируется в лед, и твердых частиц оказывается больше, чем во внутренней области диска. Вдобавок скорость орбитальных движений, а значит, и столкновений тут ниже. Поэтому планетезимали растут здесь быстрее, и довольно скоро появляются крупные протопланеты массой в несколько раз больше Земли. Они способны притягивать и удерживать не только твердую составляющую диска, но и газ. Начинается процесс аккреции, то есть падения газа на твердое ядро. И чем больше его падает, тем сильнее становится притяжение и быстрее растет масса планеты. Так рождаются планеты-гиганты, подобные Юпитеру и Сатурну. На весь процесс уходит несколько миллионов лет, в то время как образование планет земного типа парадоксальным образом занимает в несколько раз больше времени.
Гипотезу образования гигантов путем аккреции газа на крупную твердую протопланету предложил в 1972 году Аластер Кэмерон, и сегодня ее придерживаются большинство астрономов. Правда, сам Кэмерон довольно быстро охладел к своей идее и уже в 1978 году предложил другую: планеты-гиганты возникают в результате развития гравитационной неустойчивости во внешней части диска, из-за которой значительная часть газа прямо на орбите вокруг звезды теряет устойчивость и сжимается в одну или несколько гигантских планет. Подобным образом, вероятно, образуются и двойные звезды.
Серьезные аргументы есть как за, так и против обеих моделей. Критики модели неустойчивости говорят, что ей требуются несколько более массивные протопланетные диски, чем обнаруживаются в наблюдениях. Зато планеты-гиганты появляются в ней не через миллионы лет, а почти сразу, и это позволяет объяснить некоторые особенности планетных систем, которые представляют трудности для модели аккреции.
Дискуссии вокруг происхождения гигантов продолжаются, и нельзя исключить, что в разных случаях могут работать оба механизма, предложенные Кэмероном. Однажды журналист спросил Джорджа Уэзерилла: «Если бы Санта-Клаус подарил вам ответ на любой вопрос, что бы вы захотели узнать?» — «Я бы поинтересовался, откуда взялся Юпитер», — ответил тот.
Пастухи-мигранты
