Глава 5. Планета, которой не может быть

Открытие 51 Пегаса b имело не самые приятные последствия для теорий образования планет.

Когда в 1995 г. она была провозглашена первой известной нам планетой, обращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, это не только положило начало новой эре открытий, но и нанесло удар по тогдашним планетологическим представлениям.

По правде говоря, 51 Пегаса b не была первой экзопланетой, открытой астрономами. Примерно за пять лет до ее обнаружения была найдена планета, обращающаяся вокруг останков мертвой звезды, называемой пульсаром. Но пульсар — это все-таки далеко не Солнце, так что доводов в пользу того, что такая планетная система не может походить на нашу, было хоть отбавляй. В случае с 51 Пегаса b найти аргументы против сопоставления было уже труднее: эта планета обращалась вокруг звезды, похожей на Солнце, но при этом совершенно не там, где следовало.

51 Пегаса b — газовый гигант. Ее масса как минимум вполовину меньше массы Юпитера, то есть она в 150 раз тяжелее Земли. При этом она располагается настолько близко к своей звезде, что год на 51 Пегаса b пролетает с головокружительной быстротой — за 4,2 земных суток. Для сравнения: даже Меркурию, ближайшей к Солнцу планете, требуется 88 дней, чтобы совершить полный оборот вокруг нашего светила, а период обращения Юпитера и вовсе составляет 12 полных земных лет.

Столь значительные отличия от Солнечной системы не согласуются с обеими основными теориями образования газовых гигантов, ведь согласно им формирование такой планеты должно проходить на большом расстоянии от звезды.

Чтобы набрать достаточную массу для захвата характерной для газового гиганта колоссальной атмосферы, планета должна формироваться за снеговой линией, где она будет увеличиваться в объеме за счет замерзших льдов. При этом она должна располагаться настолько далеко от звезды, чтобы во власти ее гравитации была достаточно большая область, обеспечивающая доступ к большому количеству планетезималей (в терминах главы 2, ее сфера Хилла должна быть большой). При формировании в результате неустойчивости диска планета должна располагаться еще дальше — за снеговой линией. Но 51 Пегаса b находилась так близко к своему светилу, что не просто не могла стать газовым гигантов. Более того, в условиях высоких температур, неизбежных при таком расположении, образование массивного твердого тела невозможно в принципе.

Еще более усугубило ситуацию то, что, как оказалось, 51 Пегаса b не была единичной аномалией. По мере того как число выявленных экзопланет росло, среди них обнаруживались все новые газовые гиганты, прижавшиеся к своим звездам.

Справедливости ради отметим, что практиковавшиеся методы наблюдения были нацелены скорее на обнаружение как раз таких горячих юпитеров, чем планет, похожих на Землю. В силу своей массивности и близости к звезде эти огромные миры вызывают максимальные колебания ее лучевой скорости. При коротком периоде обращения они напоминают о своем существовании каждые несколько дней. То есть горячие юпитеры стали легкой добычей для охотников за экзопланетами. Однако признание этого факта не означает, что они не существуют. Позже было подсчитано, что приблизительно 1% звезд соседствуют с собственным горячим юпитером. Теория образования планет без них невозможна.

Логически объяснить их существование можно было только одним способом: если такая планета не могла сформироваться там, где она находилась, она должна была появиться на свет в другом месте, дальше от звезды, а затем переместиться в текущее местоположение.

Предположение о том, что орбиты планет могут изменяться, не было новым. Такая гипотеза выдвигалась еще в 1980-е годы. Впрочем, ее сразу отвергли: если причины, по которым планета может начать смещаться, еще были понятны, то объяснить, что может заставить ее остановиться, было невозможно.

Планетная миграция происходит, когда гравитация растущей планеты начинает все сильнее притягивать окружающий газ из протопланетного диска. Газ сопротивляется. При этом газ внутри орбиты, вращающийся быстрее, тянет планету вперед, а газ с внешней стороны орбиты, находящийся дальше в диске и вращающийся медленнее, влечет ее назад, тормозя движение. Поскольку планета не испытывает воздействие давления газа, газ в непосредственной близости от ее поверхности также становится фактором замедления. В результате тяга в обратном направлении оказывается сильнее, планета теряет энергию и перемещается ближе к звезде.

Мы упоминали это движение в главе 4, когда рассматривали процесс формирования газовых гигантов. Прочесывание протопланетного диска обеспечивает быстрый рост за счет слипания с планетезималями. Но, к сожалению, для планеты все может закончиться весьма печально.

Расчеты скорости миграции планеты к центру системы приводят к неутешительному выводу: уже через 100 000 лет зародыш газового гиганта, начавший миграцию оттуда, где сейчас находится Юпитер, ждет гибель при столкновении со звездой. Это намного меньше, чем время, которое требуется, чтобы диск рассеялся, и планета перестала замедляться из-за сопротивления газа. Как только планета достигает размеров Марса, ее гравитации уже достаточно для начала миграции, что ставит под сомнение саму возможность формирования планет.

Это уже второй раз, когда из-за сопротивления газа будущие новые миры на конвейере фабрики планет почти брошены в пекло звезды. В первый раз жертвами были некрупные планетезимали, имеющие дело с сопротивлением движущегося с меньшей скоростью газа. Когда планетезимали вырастают в зародыши планет, это сопротивление перестает влиять на их более массивные тела. Но по мере дальнейшего увеличения массы и превращения небесного тела в маленькую планету, его гравитация начинает притягивать газ, и вновь возникают пугающе мощные силы торможения.

Поначалу идея миграции планет была отвергнута, поскольку противоречила очевидному факту существования нашей Солнечной системы. Но с открытием горячих юпитеров у нее появился второй шанс. Однако могла ли планета, начав мигрировать, остановиться и не быть поглощенной звездой?

Если сопротивление газа приводит к изменению орбиты планеты, то притяжение планеты делает то же самое с газом. Газ, движущийся с меньшей скоростью, получает ускорение и выталкивается вовне, тогда как газ, движущийся с большой скоростью, замедляется и направляется по спирали вниз. В итоге газ покидает пространство вокруг планеты. При небольшом размере планеты место перемещенного материала занимает свежий газ, однако в какой-то момент гравитация планеты становится такой сильной, что она выталкивает весь газ, создавая разрыв в протопланетном диске.

Как было показано в главе 3, этот процесс довершает формирование газового гиганта: молодая планета стремительно растет, мигрируя во все новые скопления планетезималей. Когда масса достигает значения, достаточного для возникновения разрыва в диске под действием гравитации, планета оказывается в среде с малой плотностью, и рост атмосферы прекращается.

С вытеснением газа из пространства вокруг планет создаваемое им сопротивление может полностью исчезнуть. Однако дисковый газ также не остается на месте, смещаясь к центру в процессе аккреции на звезду. В результате разрыв заполняется извне новой порцией газа, который продолжает тянуть планету назад, пока не оказывается вновь вытолкнутым наружу. Таким образом, на планету по-прежнему воздействует сила, которая тянет ее к центру, но уже намного слабее. При достаточном замедлении планета может просуществовать до того момента, когда газовый диск рассеется и перестанет воздействовать на нее.

Движение планеты до образования разрыва называют миграцией первого рода, которая переходит в миграцию второго рода, после того как планета пробивает брешь в диске. Однако из-за большой скорости миграции первого рода планеты рискуют не дожить до перехода в спокойный режим движения при миграции второго рода.

Вопрос о механизме остановки миграции первого рода остается открытым. Согласно одной гипотезе, движущаяся по спирали вниз планета превращается в бульдозер, который аккумулирует газ внутри своей орбиты. В результате увеличивается объем быстрого внутреннего газа, который тянет планету вперед, помогая ей преодолеть сопротивление газа, движущегося с меньшей скоростью. Внезапные толчки и изменения в газе, такие, например, как на снеговой линии, также могут влиять на величину силы, с которой газ тянет планету в разных направлениях, выступая в роли своего рода планетных «ловушек» и останавливая миграцию. То есть все, что может повлиять на поток газа в области диска, может также повлиять на скорость миграции первого рода.

Если горячие юпитеры оказались там, где они находятся сейчас, в результате миграции, то, значит, потенциально она может быть фактором процесса формировании планет. Правда, в этом случае этот процесс превращается в рискованную игру с непонятным исходом. Учитывая близость наблюдаемых нами горячих юпитеров к звезде и допуская, что их движение по спирали вниз прекратилось в результате рассеивания газового диска, мы должны признать, что этим планетам просто очень повезло. Или они остановились на внутренней границе диска, пересекая которую любой материал улетучивается или срастается со звездой в результате аккреции.

Гипотеза миграции объясняет формирование горячих юпитеров, однако противоречит тому, что мы знаем о Солнечной системе.