20.02.2018. - Почему во Вселенной так мало землеподобных планет

Почему во Вселенной так мало землеподобных планет

Когда астрономы обнаружили первую экзопланету вокруг обычной звезды два десятилетия назад, они одновременно радовались и недоумевали: открытая планета 51 Пегас b была в полтора раза массивнее Юпитера, но при этом она располагалась крайне близко к звезде: один оборот совершается ею всего за 4 дня, что сильно быстрее, чем это делает Меркурий, ближайшая к Солнцу планета — он совершает оборот за 88 дней. Теоретики, изучающие образование планет, не видели возможностей по образованию и росту планеты в такой близости к новорожденной звезде. Возможно, это было исключение из правил, но вскоре были обнаружены еще несколько горячих юпитеров, к которым присоединились другие странные планеты: на удлиненных и сильно наклонных орбитах, и даже вращающиеся против направления вращения родительской звезды.

Охота за экзопланетами ускорилась после запуска космического телескопа Кеплер в 2009 году, и 2500 миров, которые он обнаружил, добавили статистические данные для изучения экзопланет — и это принесло еще больше путаницы. Кеплер обнаружил, что наиболее распространенным типом планет в галактике является нечто среднее по размерам между Землей и Нептуном — сверхземли, которые не имеют аналогов в нашей солнечной системе и считались практически невозможными. Современные наземные телескопы улавливают свет непосредственно от экзопланет, вместо того, чтобы обнаруживать их присутствие косвенно, как это делает Кеплер, и эти данные тоже необычны. Были обнаружены гигантские планеты с массой в несколько раз больше массы Юпитера, расстояние от которых до родительских звезд вдвое превышает расстояние от Нептуна до Солнца — то есть они находятся в еще одном регионе, где теоретики считали невозможным рождение больших планет.

«Было очевидно, что с самого начала наблюдения не очень-то укладывались в теорию», — говорит Брюс Макинтош, физик из Стэнфордского университета в Пало-Альто, штат Калифорния. «Никогда не было момента, когда теория подтверждала наблюдения».

Теоретики пытаются создать сценарии «выращивания» планет в местах, которые когда-то считались запретными. Они предвидят, что планеты могут образоваться в гораздо более мобильных и хаотических средах, чем они когда-либо представляли раньше, когда зарождающиеся планеты могут дрейфовать с круговых близких к звезде орбит к более удлиненным и удаленным. Но постоянно расширяющийся зоопарк экзотических планет, который наблюдают исследователи, означает, что каждая новая модель является предварительной. «Каждый день вы можете открыть что-то новое», — говорит астрофизик Томас Хеннинг из Института астрономии им. Макса Планка в Гейдельберге, Германия. «Это похоже на открытие новых месторождений во времена золотой лихорадки».

Традиционная модель формирования звезд и их планет восходит к 18 веку, когда ученые предположили, что медленно вращающееся облако пыли и газа может разрушиться под действием его собственной гравитации. Большая часть материала образует шар, который сжимается, разогревается и становится звездой, когда его центр становится достаточно плотным и горячим для начала термоядерных реакций. Гравитация и угловой момент собирает оставшийся материал вокруг протозвезды в плоский газопылевой диск. Частицы материала при движении по этому диску сталкиваются и «склеиваются» электромагнитными силами. В течение нескольких миллионов лет частицы вырастают в зерна, гальки, валуны и, в конечном итоге, в километровые планетезимали.

В этот момент гравитация берет верх, происходят столкновения планетезималей и полное очищение пространства от пыли, в результате чего образуется несколько полноценных планет. К тому времени, когда это происходит во внутренней части диска, большая часть газа из него либо поглощена звездой, либо сдута ее звездным ветром. Недостаток газа означает, что внутренние планеты остаются в значительной степени скалистыми, с тонкими атмосферами.

Этот процесс роста, известный как аккреция ядра, протекает быстрее во внешних частях диска, где температура достаточно низка для замораживания воды. Лед в данном случае дополняет пыль, что позволяет протопланетам консолидироваться быстрее. В итоге появляется твердое ядро в пять-десять раз тяжелее Земли — достаточно быстро, пока внешняя область протопланетного диска остается богатой газом. Под действием гравитации ядро ??«стягивает» на себя газ из диска, создавая газового гиганта, такого как Юпитер. Кстати, одна из целей космического корабля Юнона, который в начале этого месяца долетел до Юпитера — определить, действительно ли планета имеет массивное ядро.

Этот сценарий создает планетарную систему, схожую с нашей: маленькие скалистые планеты с тонкой атмосферой находятся близко к звезде; есть газовый гигант, подобный Юпитеру, находящийся сразу за пределами снежной линии (там, где температура достаточно низка для замерзания воды), а другие гиганты постепенно появляются на больших расстояниях и они оказываются меньше, потому что они движутся медленнее по своим орбитам и им требуется больше времени, чтобы собрать материал протопланетного диска. Все планеты остаются примерно там, где они сформировались, и движутся по круговым орбитам в одной плоскости. Красиво и аккуратно.

Но открытие горячих юпитеров предположило, что что-то серьезно не согласуется с теорией. Планета с орбитой, один оборот по которой занимает всего несколько дней, находится на очень малом расстоянии от звезды, что ограничивает количество материала, из которого она может образоваться. Казалось непостижимым, что в таком месте мог образоваться газовый гигант. И неизбежный вывод заключается в том, что такая планета должна была образоваться существенно дальше от своей звезды.

Теоретики придумали два возможных механизма перетасовки планетарной колоды. Первый, известный как миграция, требует, чтобы на диске осталось много материала после того, как образовалась гигантская планета. Притяжение планеты искажает диск, создавая области более высокой плотности, которые, в свою очередь, оказывают гравитационное воздействие на планету, заставляя ее постепенно дрейфовать внутрь диска к звезде.

Есть подтверждающие доказательства этой идеи. Соседние планеты часто оказываются в стабильной гравитационной «связке», известной как орбитальный резонанс — то есть длины их орбит соотносятся как небольшие целые числа. Например, когда Плутон дважды обернется вокруг Солнца, Нептун успеет обернуться ровно три раза. Очень маловероятно, что так получилось случайно, так что скорее всего это случилось при миграции, давая тем самым планетам дополнительную гравитационную стабильность. Миграция на ранней стадии истории нашей Солнечной системы могла объяснять и другие странности, в том числе малый размер Марса и пояс астероидов. Чтобы объяснить их, теоретики придумали гипотезу «большого отклонения», в которой Юпитер первоначально сформировался ближе к Солнцу, после чего дрейфовал внутрь почти до орбиты Земли, собирая материал и тем самым «обделив» им Марс, а после образования Сатурна под действием гравитации и давления газа во внутренней области диска вернулся обратно, по пути «загоняя» остатки пыли и планетезималей в астероидный пояс.

Некоторые моделисты считают, что такие сценарии излишне сложны. «Я действительно верю в бритву Оккама («Что может быть сделано на основе меньшего числа [предположений], не следует делать, исходя из большего» — прим. перев.)», — говорит Грег Лафлин, астроном из Калифорнийского университета (Санта-Крус). Лафлин утверждает, что планеты, скорее всего, сформировались на том же месте, на котором мы их видим сейчас. Он говорит, что большие планеты могут образоваться вблизи своей звезды, если протопланетные диски содержат гораздо больше материала, чем считалось ранее. Некоторое движение планет все еще может происходить — достаточное, чтобы объяснить, к примеру, резонансы, но «это окончательная тонкая настройка, а не основной конвейер», — говорит Лафлин.

Но другие теоретики говорят, что просто не может быть достаточно материала для формирования настолько близких к звездам планет, таких как 51 Пегас b и других, находящихся еще ближе. «Они не могли образоваться на своем месте», — категорически заявляет физик Джошуа Винн из Массачусетского технологического института. И значительная часть экзопланет, которые находятся на продолговатых, наклонных или даже обратных орбитах, также, по-видимому, подразумевают какую-то перетасовку планетарной системы.

Для объяснения этих странностей теоретики ссылаются на «оружие ближнего боя» — гравитацию, а не на седативную миграцию. Богатый материалом протопланетный диск мог бы создавать множество планет близко друг к другу, где влияние гравитации могло сделать орбиты некоторых из них близкими к звезде, наклоненными, и даже вообще выкинуть планету из системы. Другой потенциальный разрушитель — звезда-компаньон на продолговатой орбите. Большую часть времени она находится слишком далеко, чтобы иметь существенное влияние на планетарную систему, но вблизи она могла существенно «перетасовывать» орбиты планет. Или, если родительская звезда является членом сплоченного звездного кластера, соседняя звезда может подойти достаточно близко, чтобы перемешать орбиты или вообще «отхватить» себе одну или несколько планет. «Существует множество способов разбить планетарную систему», — говорит Винн.

Неожиданный вывод сделали исследователи, изучавшие найденные Кеплером планеты — оказалось, что 60% суперземель, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд, существенно отличаются от того, что мы наблюдаем в Солнечной системе, и требуют переосмысления существующих теорий. Большинство суперземель, состоящих в основном из твердого вещества с небольшими объемами газа, следуют по более близким к звездам орбитам, чем Земля, и часто звезды имеют сразу несколько таких планет. Например, система Kepler-80 имеет четыре сверхземли, все с орбитами по 9 дней или менее. Традиционная теория утверждает, что внутри снеговой линии аккреция слишком медленна, чтобы производить что-то такое большое. Но суперземли редко встречаются на резонансных орбитах, что говорит о том, что они не мигрировали, а сразу образовались там, где мы их находим.

Исследователи придумывают новые способы решения этой проблемы. Одна из идей — ускорить аккрецию, используя процесс, известный как галечная аккреция. Богатый газом диск оказывает большое влияние на объекты размером с гальку. Обычно это замедляет их, заставляя дрейфовать ближе к звезде. Но чем ближе они к звезде, чем выше плотность, и в итоге скорость образования планетезималей увеличивается с уменьшением расстояния до звезды. Но ускоренная аккреция и богатый газом диск поднимают собственную проблему: в таком случае сверхземли должны приобрести толстую атмосферу, когда они превысят определенный размер. «Как вы остановите их от превращения в газовые гиганты?» — спрашивает астрофизик Роман Рафиков из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси.

Евгений Чанг, астроном из Калифорнийского университета в Беркли, говорит, что нет необходимости ускорять аккрецию, пока диск насыщен и богат газом. По его словам, внутренний диск в 10 раз более плотный, чем тот, который сформировал солнечную систему, мог легко создать одну или несколько сверхземель, которые появятся в последние дни существования протопланетного диска, когда большая часть газа уже рассеется.

Некоторые предварительные наблюдения, полученные с помощью крупного миллиметрового/субмиллиметрового телескопа ALMA, находящегося в северной части Чили, поддерживают это предложение. ALMA может визуализировать радиоизлучение от пыли и гравия в протопланетных дисках, и те немногие диски, которые он изучил до сих пор, кажутся относительно массивными. Но наблюдения еще не являются правдой в последней инстанции, потому что ALMA еще не полностью работоспособен, и с его помощью можно наблюдать только за внешними частями дисков, а не за регионами, где находятся суперземли. «Мы сможем разглядеть внутренние области, когда ALMA сможет использовать все свои 66 антенн» — говорит Чанг.

Чанг также имеет объяснение для другого открытия Кеплера: суперпаффы (superpuff), редкий и столь же проблематичный вид планет, которые имеют меньшую массу, чем суперземли, но кажутся огромными из-за пышной атмосферы, составляющей 20% их массы. Считается, что такие планеты образуются в богатом газом диске. Но во внутреннем диске такой объем горячего газа не сможет удержаться силами слабой гравитации протопланеты, поэтому холодный и плотный газ внешнего диска является более вероятным местом зарождения таких планет. Чанг объясняет их близкие к звездам орбиты миграцией — и это утверждение подтверждается тем фактом, что суперпаффы часто обнаруживаются запертыми на резонансных орбитах.

До сих пор большая часть внимания в исследованиях экзопланет была сосредоточена на внутренних частях планетных систем, примерно до расстояния, эквивалентного орбите Юпитера, по той простой причине, что все существующие методы обнаружения экзопланет не позволяют находить их на более далеких расстояниях от звезды. Два основных метода — это измерение колебаний звезд, вызванных гравитационным воздействием планет, и измерение периодического затемнение диска звезды при прохождении по нему планеты — позволяют найти большие планеты на близких орбитах. Получить изображения самих планет чрезвычайно сложно, потому что их слабый свет почти заглушается светом от их звезд, которые могут быть в миллиард раз ярче.

Но, используя по максимуму возможности самых больших в мире телескопов, астрономы смогли увидеть несколько планет. Спектрополяриметрическая высококонтрастная система (SPHERE) и визуализатор планет-близнецов (GPI), добавленные к крупным телескопам в Чили, снабжены сложными масками, называемыми коронографами, для блокировки света звезд. Поэтому неудивительно, что планеты далеко от их звезд — самые легкие для них цели.

Одной из самых ранних и самых поразительных планетарных систем, обнаруженных при помощи прямой визуализации, является та, которая находится вокруг звезды HR 8799, где четыре планеты располагаются от звезды на расстояниях от орбиты Сатурна до более чем в два раза дальше орбиты Нептуна. Самое удивительное, что все четыре планеты — огромны, более чем в пять раз больше Юпитера по массе. Согласно теории, планеты на таких отдаленных орбитах движутся так медленно, что они должны расти со скоростью улитки и накапливать массы, существенно меньше юпитерианской к моменту исчезновения газопылевого диска. И тем не менее, их «хорошие» круговые орбиты предполагают, что они сразу на них образовались, а не мигрировали на них из более близких к звезде областей.

Такие далекие гиганты оказывают поддержку самой радикальной теории, в которой некоторые планеты формируются не с помощью аккреции, а при помощи так называемой гравитационной неустойчивости. Этот процесс требует богатого газом протопланетного диска, который разбивается на «комки» под действием собственной гравитацией. Эти скопления газа со временем объединяются и сжимаются в газовые планеты без образования твердого ядра. Модели предполагают, что механизм будет работать только при определенных обстоятельствах: газ должен быть холодным, он не должен вращаться слишком быстро, а сжатый газ должен иметь возможность эффективно отводить тепло. Может ли эта теория объяснить планеты вокруг HR 8799? Рафиков говорит, что лишь две внешние планеты достаточно далеки и холодны. «Это все еще довольно загадочная система», — говорит он.

В прошлом наблюдения радиотелескопов за протопланетными дисками обеспечивали некоторую поддержку теории гравитационной неустойчивости. Чувствительные к холодному газу, телескопы находили диски, «забрызганные» скоплениями газа. Но последние изображения, полученные с помощью ALMA, рисуют другую картину. ALMA чувствительна в более коротковолновом диапазоне, в котором излучают пылевые зерна в средней плоскости диска, и полученные с ее помощью изображения звезды HL Tauri в 2014 году и TW Hydrae в этом году показали гладкие симметричные диски с темными круговыми «зазорами», простирающимися далеко за пределами орбиты Нептуна (см. рисунок ниже). «Это был потрясающий сюрприз. Диск не был хаотичным, он имел приятную, правильную, красивую структуру», — говорит Рафиков. Эти зазоры, наводящие на размышления о планетах, которые их сделали, явно говорят в пользу аккреционной модели, что является ударом для сторонников модели гравитационной нестабильности.

Пока слишком рано говорить о том, какие еще сюрпризы GPI и SPHERE смогут преподнести. Но область между отдаленными регионами планетарных систем и близлежащими окрестностями звезд с горячими юпитерами и сверхземлями остается упрямо недосягаемой: она слишком близко к звезде для прямой визуализации, и при слишком далеко для косвенных методов, основанных на колебаниях или затемнении родительской звезды. В результате теоретикам сложно получить полную картину того, как выглядят экзопланетные системы. «Мы основываем на фрагментарных и неполных наблюдениях», — говорит Лафлин. «Прямо сейчас, вероятно, все предположения ошибочны».

Астрономам не придется долго ждать новых данных. В следующем году НАСА запустит спутник для съемки экзопланет (TESS), и тогда же ожидается, что Европейское космическое агентство (ESA) также запустит спутник для определения характеристик экзопланет (CHEOPS). В отличие от Кеплера, который исследовал большое количество разнообразных звезд просто для определения экзопланет, TESS и CHEOPS будут сосредоточены на звездах, близких к Солнцу, что позволит исследователям изучить мигрирующие terra incognita (неизвестные земли — прим. перев.). А поскольку целевые звезды находятся поблизости солнечной системы, наземные телескопы должны иметь возможность оценить массу открытых планет, позволяя исследователям рассчитать их плотности и понять, твердые они или газообразные.

Телескоп Джеймса Уэбба, который запустят в этом году, будет способен идти еще дальше, анализируя свет звезды, который проходит через атмосферу экзопланеты — это позволит определить ее состав. «Состав — важный ключ к формированию», — говорит Макинтош. Например, поиск тяжелых элементов в атмосферах суперземель может указывать на то, что диск, богатый такими элементами, необходим для быстрого формирования планетарных ядер. И в следующем десятилетии космические аппараты, такие как TESS и CHEOPS, присоединятся к охоте за экзопланетами наряду с новым поколением огромных наземных телескопов с зеркалами в 30 и более метров в поперечнике.

Если старые теории до последнего помогали моделистам прочно стоять на ногах, то под давлением новых открытий этот фундамент начинает рушиться, и исследователям придется попотеть, чтобы остаться на ногах. «Природа умнее наших теорий», — говорит Рафиков.

Источник