Образование планет и планетарных систем

Образование планет и планетарных систем

7 фактов о формировании скоплений звезд и различных
незвёздообразных астрономических объектов

До середины 90-х годов такая тема, как образование планетных систем, можно сказать, не существовала. Однако существовал другой сюжет: образование планетной системы, — поскольку в то время была известна единственная такая система во всей Вселенной — наша Солнечная система. В результате все усилия, которые и теоретиками, и наблюдателями направлялись на решение этой проблемы, были ориентированы на единственный объект во Вселенной, обитателями которого мы являемся.

①

Первые идеи о том, как могла сформироваться Солнечная система, были высказаны еще в XVII–XVIII веке. До сих пор эта общая идеология формирования планетной системы часто называется теорией Канта-Лапласа, по имени тех ученых, которые впервые более или менее её четко сформулировали. Это представление о том, что Солнечная система образовалась из газопылевого диска, который вращался вокруг Солнца. И в результате того, что этот диск становился все более плоским, он постепенно разбивался на фрагментики, которые в свою очередь превращались в планеты. В таком виде образование Солнечной системы представлялось до 50-х годов. В 50-е годы оно из образной фазы перешло в фазу более точного, более численного научного исследования. Основоположником современных представлений об образовании планет является советский ученый Виктор Сергеевич Сафронов. И хотя основная идеология была сформулирована Шмидтом, в научном плане эти представления были развиты Сафроновым и его учениками.

②

Согласно идеям, высказанным Сафроновым, в газопылевом диске, который окружает молодую звезду, пылинки начинают постепенно слипаться между собой, превращаться во все более и более крупные тела, которые достигают сначала метровых, а потом километровых размеров. На этом этапе они приобретают специальное имя — планетезимали. Дальнейшая агломерация планетезималей приводит к тому, что в планетной системе образуются гигантские тела — планеты. При этом протосолнечная система по температурному режиму оказывается разделена на две области: ближе к звезде, там, где достаточно горячо из-за ее излучения, не могут конденсироваться льды, не могут конденсироваться в твердое вещество вода, аммиак, другие газы, поэтому там возможно образование только каменных планет. И, соответственно, эти планеты получаются менее массивными, потому что для их образования доступно меньше вещества. За снеговой линией возможна конденсация льдов, возможно образование более массивных тел, и там мы имеем массивные планеты — планеты-гиганты. Эта картина очень красиво описывает Солнечную систему. Мало того что она объясняет, почему у нас 4 каменных планеты и 4 планеты-гиганта, она объясняет еще и химический состав пояса астероидов. Эта граница называется снеговой линией и в Солнечной системе проходит по поясу астероидов. И оказывается, что те астероиды, которые находятся внутри снеговой линии, действительно менее богаты водой, водяным льдом, чем астероиды, которые находятся за снеговой линией, дальше от Солнца, чем это нужно для конденсации водяного льда.

③

Очень логичная и стройная картина существовала до 90-х годов, однако именно в этот период было сделано несколько открытий, которые прямо или косвенно затрагивали наше представление об образовании планет. Во-первых, это открытие пояса Койпера, во-вторых, открытие первых коричневых карликов, в-третьих, начало первых прямых наблюдений протопланетных дисков у других звезд, и, конечно, самое главное — это открытие внесолнечных планет.

Первая внесолнечная планета была открыта в 1995 году. Сейчас их число уверенно приближается к тысяче. И именно с открытием внесолнечных планетных систем мы начали понимать, что Солнечная система далеко не типична среди планетных систем в нашей Галактике. Нельзя сказать, что она имеет совершенно уникальные характеристики, но она как минимум представляет собой не единственный возможный вариант. Соответственно, теории, которые разрабатывались для объяснения существования Солнечной системы, нуждаются в каких-то поправках, поскольку они не способны объяснить все многообразие планетных систем, которые нам сейчас известны. Поэтому, начиная с середины 90-х годов, наши представления об образовании планет претерпели довольно-таки существенную эволюцию.

④

Основные новшества, которые пришлось ввести в уже существующие к 90-м годам теории, связаны с тем, что среди внесолнечных планет оказалось очень большое количество так называемых горячих юпитеров. Это планеты-гиганты, массы которых иногда значительно превышают массу Юпитера и которые обращаются на очень небольшом расстоянии от своих звезд. У многих из них орбиты находятся ближе к их звездам, чем в Солнечной системе орбита Меркурия находится к Солнцу. Согласно прежним объяснениям, Юпитер должен образоваться далеко от Солнца, за снеговой линией. В новой ситуации мы имеем те же самые массивные планеты, но на расстояниях в сотые доли астрономической единицы от звезды. Традиционные представления объяснить данное явление были не в состоянии. Еще одна проблема, с которой пришлось столкнуться людям, которые занимаются изучением образования планет, — это обнаруженное с тех пор очень короткое время жизни протопланетных дисков. Благодаря тому, что мы умеем измерять возраст звезд, мы можем измерять возраст и протопланетных дисков у этих звезд. И оказывается, что протопланетные диски живут не более 10 миллионов лет. Тогда как в стандартном варианте, в варианте Сафронова, для образования планет требуются сотни миллионов лет. Такого времени у молодой планетной системы нет: планету нужно образовать за несколько млн. лет, потом диск просто прекращает существовать, рассеивается вещество протопланетного диска.

⑤

В настоящее время есть два подхода к образованию планетных систем. Один из них — это развитие подхода Сафронова, так называемая модель аккреции на ядро. Согласно этой модели сначала образуется некая заготовка планеты, зародыш, каменное ядро, на которое потом аккрецирует газ, и образуется уже планета-гигант наподобие Юпитера, Сатурна или внесолнечных планет-гигантов. В этом случае существует проблема возраста, и люди, которые разрабатывают эту модель, сейчас пытаются каким-то образом ускорить этот модельный процесс, понять, как он может идти не сотни миллионов лет, а всего несколько миллионов лет.

Второй вариант связан с попытками объяснить образование планет в протопланетном диске тем же механизмом, который приводит и к образованию звезд — гравитационной неустойчивостью. Другими словами, если диск достаточно массивен и в нем достаточно много вещества, в нем могут образовываться какие-то неоднородности, которые будут сжиматься под действием собственной тяжести. Если они будут достаточно массивны, они будут падать внутрь себя, коллапсировать и превращаться в массивные планеты. У такого процесса нет проблемы возраста: гравитационная неустойчивость может приводить к тому, что планеты типа Юпитера будут образовываться за тысячу лет, за десять тысяч лет. Такое время образования планеты — мгновение даже по сравнению с небольшими возрастами протопланетных дисков. Но пока создателям этой модели не удается объяснить, каким образом сжимающееся вещество успевает остыть. Дело в том, что при сжатии вещество разогревается, и эту избыточную энергию необходимо куда-то сбрасывать. Однако пока неизвестно, как этот сброс энергии может происходить так быстро. Именно поэтому в научной среде преимущество сейчас имеет первая, сафроновская теория образования планет, согласно которой образование планеты происходит в два этапа: образование каменного ядра, которое потом становится либо самостоятельной планетой земного типа, либо затравкой для планеты-гиганта: потом на него уже выпадает вещество из протопланетного диска, и образуется планета-гигант.

⑥

Слипание пылинок на самом раннем этапе происходит под воздействием физических и химических сил, то есть они просто прилипают друг к другу. На этом раннем этапе пылинки слишком малы, чтобы они могли гравитационно воздействовать друг на друга. Здесь есть такой интересный момент: на пылинках в межзвездной среде образуется ледяная мантия, которая состоит в основном из оксида углерода, воды и аммиака. Под воздействием излучения звезды в этой ледяной мантии могут происходить химические реакции, которые приводят к образованию более сложных органических соединении, которые имеют «липкие» свойства. То есть пылинки могут обрастать такими органическими мантиями, благодаря чему они будут очень хорошо прилипать друг к другу, и это облегчит образование будущей планеты. Когда эти мега-пылинки вырастают до размеров порядка одного километра, между ними начинает действовать гравитация. Далее пылинки (планетезимали) начинают объединяться друг с другом за счет взаимного притяжения.

⑦

Изучение образования планетных систем связано с двумя трудностями. Во-первых, планетная система, которую мы знаем очень хорошо, — наша Солнечная система — существует уже четыре с половиной миллиарда лет. Мы не знаем, какие её свойства являются врожденными, а какие благоприобретенными. Другими словами, мы не знаем, что именно нам надо образовать, что сначала появилось, а что добавилось в Солнечную систему потом. Вторая трудность состоит в том, что нам пока очень сложно наблюдать другие планетные системы. Сегодня в этой сфере существуют очень значительные наблюдательные продвижения. Запускаются специальные космические телескопы: телескоп «COROT», телескоп «Кеплер», — которые специально нацелены на поиск других планетных систем и, в первую очередь, на поиск планет, которые по своим свойствам были бы похожи на Землю. Второе продвижение связано с тем, что осенью 2011 года в Чили начал работать телескоп субмиллиметрового диапазона «ALMA», интерферометр, обладающий очень высоким угловым разрешением. С его помощью мы впервые получим возможность исследовать детальную структуру протопланетных дисков, тех объектов, из которых потом формируются планетные системы. Есть надежда, что благодаря «Альме» мы сможем впервые наблюдать в подробностях начало процесса образования планет, начиная от слипания пылинок и заканчивая образованием планетезималей. До этого мы не имели возможности детального изучения протопланетных дисков: смотрели на них только как на целое, но не знали, что происходит внутри, и вынуждены были догадываться об этом.

---

Dmitry Vibe