Последнее поколение астрономов сходится на том, что звёздные системы, подобные нашей Солнечной системе, скорее типичны для Вселенной. Исследования экзопланет как с помощью транзитного метода, так и с помощью метода звёздных колебаний показали, что не только у большинства звёзд есть планеты, но и что миры большинства из них отличаются массами, размерами и орбитальными периодами. Вполне возможно, что у них встречаются газовые гиганты во внутренних областях систем, множество миров в пределах орбиты Меркурия или планеты, расположенные гораздо дальше, чем даже Нептун от Солнца.
Вероятно, миры, вращающиеся вокруг других звёзд, гораздо разнообразнее, чем мы могли бы предположить, глядя только на Солнечную систему. Возможно, существуют даже звёзды с десятками или сотнями планет, вращающихся вокруг них; мы надеемся обнаружить это по мере совершенствования наших наблюдений.
Что до нашей Солнечной системы, то мы знаем, что она образовалась 4,5 млрд лет назад в результате гравитационного коллапса области внутри большого молекулярного облака. Это первоначальное облако, скорее всего, было размером в несколько световых лет и породило несколько звёзд. Как и положено молекулярным облакам, это облако состояло в основном из водорода, гелия и небольшого количества более тяжёлых элементов, созданных предыдущими поколениями звёзд. По мере того как область, ставшая Солнечной системой (предсолнечная туманность), разрушалась, по закону сохранения углового момента она начинала вращаться быстрее. Центр, где скапливалась основная масса, становился более горячим, чем окружающий диск, и чем дальше – тем сильнее. По мере ускорения вращения сжимающейся туманности она начала сплющиваться в протопланетный диск диаметром около 200 а.е. (30 млрд км) с горячей плотной протозвездой в центре. Планеты образовались путём аккреции из этого диска (поглощения материи), когда пыль и газ гравитационно притягивались друг к другу, сливаясь в более крупные тела. Возможно, в ранней Солнечной системе существовали сотни протопланет, но они либо слились, либо были уничтожены или выброшены, оставив планеты, карликовые планеты и оставшиеся мелкие тела.
Из-за более высоких температур кипения в твёрдом состоянии в тёплой внутренней части Солнечной системы вблизи Солнца могли существовать только металлы и силикаты, из которых со временем образовались каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс. Поскольку металлические элементы составляли лишь очень малую часть солнечной туманности, земные планеты не могли вырасти очень большими. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) сформировались дальше, за линией замерзания — точкой между орбитами Марса и Юпитера, где материал достаточно холодный, чтобы летучие ледяные соединения оставались твёрдыми. Лёд, образовавший эти планеты, был более обильным, чем металлы и силикаты, из которых состояли внутренние каменистые планеты, что позволило им вырасти достаточно массивными, чтобы захватить большие атмосферы из водорода и гелия — самых лёгких и самых богатых элементов. Остатки материи, которые так и не стали планетами, скопились в таких регионах, как пояс астероидов, пояс Койпера и облако Оорта. Подробно объясняет возникновение этих регионов и то, как внешние планеты могли сформироваться в различных положениях и мигрировать на свои нынешние орбиты в результате различных гравитационных взаимодействий, модель Ниццы — сценарий динамического развития Солнечной системы, разработка которого была начата в обсерватории Лазурного берега в Ницце, Франция.
В течение 50 млн лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно велики, чтобы в ней начался термоядерный синтез. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличивались до тех пор, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие: тепловое давление уравновесило силу гравитации. В этот момент Солнце стало звездой главной последовательности.
Фаза главной последовательности от начала до конца продлится для Солнца около 10 млрд лет. Солнечный ветер от Солнца создал гелиосферу и унёс остатки газа и пыли из протопланетного диска в межзвёздное пространство. По мере накопления гелия в ядре Солнце становится всё ярче; когда оно только попало в главную последовательность, его яркость составляла 70% от современной.
Как уже упоминалось, Солнечная система – скорее крепкий середнячок для нашей Галактики. В связи с этим в среднем мы можем сказать, что в нашем Млечном Пути на одну звезду приходится, скорее всего, 10 планет, понимая, что это оценка, основанная на неполной информации. Истинное среднее значение может быть меньше, например, 3, или больше, например, 30, но 10 — это разумный ориентир, основанный на том, что мы знаем на данный момент.
Однако это число описывает только те планеты, которые «выжили» на сегодня. Какие-то тела слились вместе, какие-то упали прямо на Солнце, а какие-то невезучие просто вылетели за пределы Солнечной системы в межзвёздное пространство. Когда-то в Солнечной системе было пять гигантских газообразных планет, а не четыре. К такому выводу привело компьютерное моделирование эволюции Солнечной системы, согласно которому пятую планету-гигант вышвырнуло в межзвёздное пространство около 4 млрд лет назад после жёсткой встречи с Юпитером.
Объяснить современную структуру Солнечной системы не получится, если принять, что в ней не было ничего крупного, кроме тех тел, что мы знаем сегодня. В частности, Уран и Нептун не могли образоваться там, где они находятся сегодня — газовый диск, сгустившийся в планеты, был бы слишком тонким на краю Солнечной системы, чтобы учесть массу ледяных гигантов.
Более вероятным сценарием является то, что планеты при своём формировании были расположены близко друг к другу и раздвинулись только тогда, когда диск газа и пыли, из которого они образовались, был израсходован. Более узкие орбиты внесолнечных планетных систем подтверждают эту идею.
Однако великие гравитационные забияки Солнечной системы — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — не смогли бы спокойно отправиться на своё новое место жительства. Предыдущие моделирования показывают, что по меньшей мере одну планету, обычно в симуляциях это Уран или Нептун, должно было выбросить из Солнечной системы в результате их перетасовки.
Но если начать симуляцию с пяти газообразных планет, то опять окажется, что одна планета улетит в глубокий космос. И в значительной части случаев в итоге получится хороший аналог Солнечной системы.
Причём в половине «пятипланетных» симуляций все четыре планеты остаются в Солнечной системе, которая принимает вид, удивительно похожий на настоящий. Наилучшие результаты получались, когда пятая планета зарождалась между Сатурном и Ураном и улетала после встречи с Юпитером.
Пятипланетный сценарий позволяет решить и ряд других загадок. Для того чтобы внутренние каменистые планеты остались невредимыми, в то время как внешние газовые гиганты боролись за свои позиции, согласно некоторым предыдущим моделям, Юпитер должен был «перепрыгнуть» из положения, более близкого к Солнцу, на свою нынешнюю орбиту.
Возможно, давно потерянная планета всё ещё существует, хотя и осиротела. Более того, у современных планет могли быть и другие братья и сестры. Предыдущие исследователи предполагали, что у нас могла быть пятая каменистая планета, улетевшая с орбиты между Марсом и Юпитером за пределы системы, или же большие каменистые планеты могли упасть в Юпитер или Нептун.
По итогам получается, что на каждую сформированную звёздную систему, со своими планетами, спокойно кружащимися вокруг звезды или пары звёзд, приходится не менее 1 газового гиганта и 5-10 каменистых планет, которые навсегда её покинули и теперь блуждают по космосу. А поскольку почти все звёзды формировались в компании планетных систем, то и бездомных планет должно быть больше, чем звёзд.
Вполне может быть, что в какой-либо формирующейся планетной системе не появилось вообще ни одной крупной планеты размером с Юпитер – допустим, на неё не хватило «сырья» – но при этом оказалось достаточно ресурсов для создания миров размером с Землю и меньше. Некоторые из них неизбежно сформируются на расстояниях от 0,5 до 1 млрд км от звезды (диапазон орбит Юпитера и Сатурна в нашей Солнечной системе). На этих расстояниях орбитальные скорости составляют примерно 15 км в секунду. Это достаточно мало для того, чтобы гравитационное столкновение могло легко добавить ещё 6 км в секунду, которые должны вытеснить относительно тяжёлый объект из звёздной системы (скорость убегания на ~40% больше орбитальной скорости). Неудивительно, если довольно большой процент планет вылетит из такой системы.
И действительно, по данным одного исследования, «планет-кочевников» в Млечном Пути может быть в 100 000 раз больше, чем звёзд. Если наблюдения подтвердят эту оценку, то новый класс небесных объектов повлияет на существующие теории формирования планет и может изменить наше понимание происхождения и распространённости жизни.
Такое большое число было получено путём учёта известного гравитационного притяжения Галактики Млечный Путь, количества материи, доступной для создания таких объектов, и того, как эта материя может разделяться, формируя объекты размером от Плутона до Юпитера. Задача не из лёгких, учитывая, что никто точно не знает, как формируются эти тела.
Для точного подсчёта, особенно малых объектов, придётся подождать следующего поколения крупных обзорных телескопов, в частности, космического телескопа имени Нэнси Грейс Роман (3-4 года) и наземной обсерватории имени Веры Рубин (1-2 года).
Несколько таких планет (или хотя бы кандидатов на их роль) мы уже нашли непосредственно.
CFBDSIR 2149-0403 — свободно плавающий объект планетарной массы (возможно, высокометалличный маломассивный коричневый карлик) в созвездии Водолея. Первоначально считалось, что он входит в состав подвижной группы AB Doradus (ABDMG), но в связи с новыми измерениями от этой идеи отказались. Без этого возраст и массу объекта определить затруднительно. Как он образовался – на орбите звезды, или отдельно – понять невозможно.
S Ori 52 — астрономический объект из скопления Delta Orionis спектрального класса L. Впервые объект был замечен Марией Розой Сапатеро Осорио в обсерватории W.M. Keck на Мауна-Кеа. По оценкам, его масса в 2-8 раз превышает массу Юпитера. Точная природа объекта остаётся спорной, и исследования показывают, что он может быть субкоричневым карликом, планетой-изгоем, или просто более старым коричневым карликом, расположенным на переднем плане скопления Ориона.
Cha 110913 — астрономический объект, окружённый, по-видимому, протопланетным диском. Он находится на расстоянии 529 световых лет от Земли. Астрономы пока не пришли к единому мнению, относить ли этот объект к субкоричневым карликам (с планетами) или к планетам-изгоям (с лунами). Открыт в 2004 году Кевином Луманом и сотрудниками Пенсильванского государственного университета с помощью космического телескопа «Спитцер» и космического телескопа «Хаббл», а также двух телескопов, расположенных на Земле в Чили.
UGPS 0722-05 — возможно, коричневый карлик позднего T-типа или, возможно, планета-изгой, расположенная на расстоянии около 4,1 парсека (13 световых лет) от Земли. Открыт Филипом Лукасом из Университета Хартфордшира и объявлен в 2010 году. Изображение объекта было получено 28 ноября 2006 г. в рамках программы UKIRT Infrared Deep Sky Survey (UKIDSS), а восстановленное изображение, подтверждающее собственное движение объекта, — 2 марта 2010 г. Объект имеет объём примерно равный объёму Юпитера, но его масса оценивается в 5-40 масс Юпитера. Инфракрасные спектры показывают, что объект содержит водяной пар и метан и имеет температуру поверхности около 480-560 °К.
Правда, есть и другая точка зрения на возможную природу этих и прочих подобных объектов: некоторые астрономы являются решительными противниками планет, признавая роль, которую магнитные поля могут играть в ослаблении гравитационных газовых коллапсов, которые, как считается, приводят к образованию звёзд, а затем и солнечных систем.
Вполне возможно, что маломассивные, свободно плавающие объекты формируются подобно звёздам, поэтому они не по определению являются планетами. Вместо этого их следует называть субкоричневыми карликами — объектами, которые меньше типичных коричневых карликов — несостоявшихся звёзд, слишком маленьких, чтобы светить и сжигать своё топливо.
В традиционных моделях планеты (более мелкие тела, холодные и не способные сжигать топливо или светить) формируются позже вокруг звёзд, когда массивный остаточный пылевой диск вращается вокруг центральной звезды и остывает, а мелкие тела в конце концов скапливаются, сталкиваются и набирают массу, превращаясь в планеты.
Противники теории блуждающих планет предлагают другие модели – например, учитывающие магнитные поля. Когда пыль и газ протозвёздного диска притягиваются друг к другу, магнитные поля не дают облаку слиться в единый объект в центре облака. Облако остаётся растянутым, а затем распадается на объекты меньшей массы. Кроме того, магнитное напряжение помогает облаку «отскочить» от центра при остывании, что также способствует образованию более мелких объектов.
Но таких планет-сирот или недозвёзд в любом случае, скорее всего, полным-полно. И это очень большая жилплощадь, в связи с которой сразу возникает вопрос: может ли жизнь существовать на этих кочевых телах?
На первый взгляд можно предположить, что надежды на это мало. В глубоком космосе очень мало энергии, чтобы согреть океан или обеспечить калории, необходимые для обмена веществ. На Земле большую часть жизни обеспечивает солнечный свет. В солнечный день на каждый квадратный метр ландшафта приходится почти киловатт энергии. В межзвёздном пространстве, где звёзды далеки и тусклы, поток энергии в миллиард раз меньше.
Любые поверхностные океаны на бесхозной планете бесповоротно замёрзнут, или вообще не появятся, да и фотосинтез будет невозможен. Однако следует помнить, что жизнь на Земле могла зародиться и, несомненно, продолжает существовать в перегретых водах глубоководных океанических источников. Мутная вода, извергающаяся из этих шипящих расщелин, доводится до кипения теплом из недр — теплом, оставшимся в основном со времён рождения Земли. Спустя более чем четыре миллиарда лет наша планета всё ещё остаётся тёплой внутри. Марс, меньший по размерам мир, в значительной степени остыл. На Красной планете нет ни движущихся плит, ни действующих вулканов. Она остыла.
Но очевидно, что для более крупных планет-сирот — тех, которые могут быть размером с Землю или больше, — подземной энергии для поддержания жизни хватит на миллиарды лет. Поэтому можно представить, что, хотя поверхность любых океанов на этих планетах представляет собой сплошной лёд, биология может процветать в жидкой воде. И, в конце концов, для этого не нужно много тепла. Магма не нужна, достаточно лишь горячей воды.
Если какая-либо из этих планет-кочевников достаточно велика, чтобы иметь толстую атмосферу, то она могла бы удерживать достаточно тепла для существования бактериальной жизни, а тепло можно генерировать за счёт внутреннего радиоактивного распада и тектонической активности.
Иными словами, жизнь на бесхозных мирах возможна. Но может ли там возникнуть сложная или даже разумная жизнь? Очевидно, что это ещё более маловероятно. Откровенно говоря, представляется маловероятным, что жизнь, зависящая от утечки тепла из недр планеты, когда-нибудь станет достаточно развитой, чтобы понять Вселенную.
Тем не менее, такой тип среды обитания, хотя и может быть достаточно распространённым, очень чужд нашему опыту. Мы не можем с уверенностью утверждать, что разумная жизнь на таких мирах невозможна. Если такое экстравагантное развитие произойдёт, то интересно будет узнать, что думают обитатели о возможности жизни на планете, вращающейся вокруг звезды. Ведь с их точки зрения наш дом может показаться совершенно непривлекательным. Они могут сомневаться в целесообразности жизни в непосредственной близости от кипящего шара раскалённого газа, который постоянно извергает смертоносную радиацию из своего грозового лика. Может быть, лучше быть в безопасности на планете, где никогда не светит солнце?
По крайней мере, будущее такой планеты весьма предсказуемо и существовать она сможет очень долго. А вот наша Солнечная система останется примерно такой, какой она известна сегодня, пока водород в ядре Солнца полностью не превратится в гелий, что произойдёт примерно через 5 млрд лет. Это будет означать конец жизни Солнца на главной последовательности. В это время ядро Солнца сожмётся, в оболочке, окружающей инертный гелий, будет происходить синтез гелия из водорода, и энерговыделение будет больше, чем в настоящее время. Внешние слои Солнца увеличатся примерно в 260 раз по сравнению с нынешним диаметром, и Солнце станет красным гигантом. Расширяющееся Солнце испарит Меркурий, Венеру и сделает Землю непригодной для жизни (возможно, уничтожит и её).
В конце концов, ядро станет достаточно горячим для синтеза более тяжёлых элементов из гелия; Солнце будет сжигать гелий в течение части того времени, за которое сгорел водород в ядре. Солнце недостаточно массивно, чтобы начать синтез более тяжёлых элементов, и ядерные реакции в ядре сойдут на нет. Его внешние слои будут выброшены в космос, оставив после себя плотный белый карлик, масса которого вдвое меньше первоначальной массы Солнца, но размером всего лишь с Землю. Выброшенные внешние слои образуют так называемую планетарную туманность, вернув в межзвёздную среду часть материала, из которого образовалось Солнце, но богатого более тяжёлыми элементами, такими как углерод.
Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала ?
