Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Шрифт:
Необычные планетные семейства других звезд решительно противоречат общепринятой теории образования планетных систем, согласно которой Солнце и планеты родились из газово-пылевого диска практически одновременно. Все планеты Солнечной системы распадаются на две большие группы: сравнительно небольшие твердые шарики с высокой плотностью, сложенные скальными породами, и газовые гиганты, чья средняя плотность мало отличается от плотности воды. Разница между большими и малыми планетами объясняется тем, что газовые гиганты рождались в центральной части протозвездного облака путем постепенного налипания огромных масс газа на первичное ледяное ядро, а малые планеты формировались на ближней и дальней периферии газово-пылевого диска, где вещества было весьма негусто. Образование планет земной группы мыслится как результат многократных столкновений и слияний так называемых планетазималей (планетных зародышей) с последующим их разогревом за счет радиоактивных элементов, осевших в ядрах твердых
Между тем экзопланеты и экзопланетные семейства упорно не желают вписываться в сию идиллическую картину, поэтому астрофизикам и планетологам приходится подыскивать другие объяснения. И если необычные свойства первых внесолнечных планет поначалу рассматривались как некая аномалия, то новые открытия побуждают задуматься о том, что аномалией, скорее всего, следует считать нашу Солнечную систему. Чтобы объяснить феномен «горячих юпитеров», был предложен механизм миграции, представляющий собой медленное сползание планет с высоких орбит, где они первоначально образовались, на орбиты низкие, околозвездные. То обстоятельство, что они ни в коем случае не могли родиться в непосредственной близости от материнской звезды, где и находятся по сей день, у большинства планетологов сомнений не вызывает. Дополнительным аргументом в пользу «далекого» рождения «горячих юпитеров» являются обнаруженные астрономами газово-пылевые облака в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезды всегда чисто подметена, свободна от пыли и газа, потому что плотность звездного излучения здесь настолько высока, что напрочь выметает весь мусор на периферию. Поэтому материал, из которого формируются низкоорбитальные «горячие юпитеры», может находиться только на расстоянии не меньше пяти астрономических единиц от родительской звезды. По всей видимости, механизм миграции включается очень рано, а события развиваются весьма стремительно: едва успев родиться, планеты начинают скользить по пологой спирали к своему солнцу, пока приливные взаимодействия звезды и планеты не стабилизируют орбиту «горячего юпитера» вплотную к звезде. Впрочем, вполне возможен и другой сценарий: гравитация материнской звезды постоянно тормозит планету, пока та не рухнет по суживающейся спирали на свое солнце и не сгорит в его недрах.
Притиснутые вплотную к родительской звезде, газовые гиганты являются настолько заурядным явлением, что остается только развести руками. Феномен Солнечной системы не находит внятного объяснения. Доктор физико-математических наук Л. Ксанфомалити, сотрудник Института космических исследований РАН, пишет об этом следующим образом: «Внесолнечные планеты предлагают теоретикам столько вопросов, что впору всю теорию образования планет писать заново. А наивный вопрос: почему миграции нет в нашей Солнечной системе? – им лучше не задавать». Тем более не стоит спрашивать специалистов о других физических параметрах экзопланет. Принимая за точку отсчета Солнечную систему, мы вправе предположить, что средняя плотность газовых гигантов возле чужих солнц (горячие они или холодные – принципиального значения не имеет) должна укладываться в знакомые величины, мало отличающиеся от плотности воды. Однако не тут-то было! Средняя плотность массивных экзопланет «плавает» в очень широких пределах – от половины плотности Юпитера до нескольких плотностей Сатурна. Например, одна из таких планет, ощутимо уступающая Юпитеру в диаметре, основательно превосходит его по массе, из чего следует предположить, что она обладает увесистым ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 0,7 массы новой экзопланеты. Газовые гиганты в Солнечной системе не могут похвастаться столь плотным ядром, так что в стандартной теории происхождения планет этот факт не находит вразумительного объяснения.
Феномен «горячих юпитеров» астрофизики с грехом пополам объяснили, но остаются еще «холодные юпитеры», сплошь и рядом описывающие вокруг материнской звезды настолько растянутые эллипсы, которые больше пристали долгопериодическим кометам, время от времени улетающим в никуда. Правда, компьютерное моделирование вроде бы помогло пролить свет на эволюцию планетной системы ипсилон Андромеды («горячий юпитер» на низкой орбите и две далекие планеты с отчетливым эксцентриситетом орбит). С другой стороны, модели моделям рознь. Например, сотрудники Вашингтонского университета в Сиэтле почему-то пришли к выводу, что большинство экзопланет, сходных по размерам с Землей (на всякий случай для справки: ни одна такая планета пока что не наблюдалась, ибо их обнаружение лежит за пределами современных астрофизических методов), должны быть водными мирами. Они тасовали различные сценарии планетогенеза, и каждый раз на дисплее возникали четыре землеподобные планеты, самая маленькая из которых была впятеро меньше Земли, а самая большая – в четыре раза больше. При компьютерном моделировании на этих виртуальных землях накапливалось невероятное количество воды – в 300 раз больше, чем на реальной Земле, так что вся их поверхность должна быть покрыта впечатляющим океаном многокилометровой глубины.
Кстати, а что можно сказать о поисках планет земного типа? Увы, но практически ничего, так как чувствительность метода лучевых скоростей позволяет надежно обнаруживать только планеты-гиганты (планеты возле пульсаров, о которых речь пойдет ниже, – редкое и счастливое исключение). Самая маленькая из недавно открытых экзопланет вращается вокруг красного карлика – звезды спектрального класса M с температурой поверхности 2–3 тысячи градусов Кельвина (у нашего Солнца – 6 тысяч). Предположительно она является твердой, то есть состоит из скальных пород, как Земля, а ее масса оценивается примерно в 7,5 земной массы (заметно меньше, чем у Нептуна или Урана). Все бы ничего, однако, к сожалению, это опять планета на низкой орбите (правда, по причине сравнительно небольших размеров назвать ее «юпитером» как-то язык не поворачивается). Вокруг своего тусклого солнца она обращается за двое суток (1,94 дня) и находится от него на расстоянии три миллиона километров – в 50 раз ближе, чем Земля от Солнца. И хотя красный карлик – не чета нашему жаркому светилу, он все же разогревает поверхность стремительно летящей планеты до 200–400 градусов по Цельсию. Жизнь земного типа там едва ли возможна.
Однако отчаиваться все же не стоит, поскольку статистика внесолнечных планет далеко не полна. Скажем, немалый интерес представляет система звезды HD37124 в созвездии Тельца, где обнаружены три планеты, каждая из которых вдвое легче Юпитера, а радиусы их орбит равны 0,5, 1,7 и 3,2 а. е. А поскольку особой тесноты в системе звезды из созвездия Тельца не наблюдается, там вполне можно предположить наличие планет земного типа. То же самое относится и к звезде 47 Большой Медведицы, у которой обнаружены массивные планеты, напоминающие Сатурн и Юпитер, с весьма сходными параметрами орбит. Следовательно, во внутренней области этой системы не исключено существование планет земного типа.
Однако факт остается фактом: строение орбит подавляющего большинства экзопланет даже отдаленно не напоминает Солнечную систему. Вплотную притиснутые к своим солнцам раскаленные газовые шары или убегающие по невообразимо растянутым эллипсам ледяные гиганты не имеют ничего общего с планетами Солнечной системы. Если предположить, что во внутренних областях некоторых экзопланетных систем остается место для землеподобных планет, трудно представить, каким образом они смогут уцелеть, ибо миграция гигантов к звезде неминуемо приведет к катастрофическому пересечению орбит.
Даже анатомия чужих газовых гигантов принципиально иная. Многие из них обладают массивным ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 70 % всей массы планеты. Заметно уступая в размерах нашему Юпитеру или Сатурну, такие нетипичные экзопланеты ощутимо превосходят их по массе. В Солнечной системе ничего подобного не встречается. Все эти загадки, вместе взятые, приводят к весьма печальному выводу об уникальности нашей планетной системы. Планеты земной группы обращаются по устойчивым орбитам и в принципе способны быть колыбелью жизни. Планеты-гиганты неспешно кружатся в отдалении и никому не мешают; более того, существует точка зрения, согласно которой они выполняют важную защитную функцию, прикрывая внутренние планеты от неожиданных атак опасных небесных тел. Дело доходит до того, что некоторые астрофизики поговаривают о своеобразном варианте антропного принципа, в соответствии с которым возникновение жизни на Земле теснейшим образом связано с Юпитером.
Астрономия как наука развивалась под знаком нарастающей децентрализации. Сначала мы узнали, что Земля не является центром мироздания, а представляет собой весьма скромное небесное тело, неутомимо снующее вокруг Солнца. Затем выяснилось, что наше великолепное светило, обожествляемое, превозносимое до небес и дарующее жизнь всякой твари, – заурядный желтый карлик спектрального класса G, каковых в составе Млечного Пути насчитывается тьма-тьмущая. Да и расположено оно отнюдь не в центре Галактики, как опрометчиво полагали некоторые астрономы XVIII столетия, а обосновалось на ее далеких задворках, где звезд раз-два и обчелся, между двумя пыльными спиральными рукавами. А теперь нам говорят, что диск Млечного Пути, эта скрученная в тугой узел чудовищная клякса с поперечником в 100 тысяч световых лет, есть не что иное, как одна из сотен миллиардов галактик, рассыпанных по необозримой Вселенной.
Мысль об уникальности Солнечной системы продолжает сидеть, как заноза, изрядно отравляя астрономам жизнь. Ксанфомалити пишет:
Все крупные планеты Солнечной системы имеют почти копланарные (расположенные в одной плоскости) стабильные орбиты с низким эксцентриситетом, исключающим их катастрофические сближения. Солнечная система – это система с низкой энтропией (высокой устойчивостью). Но именно высокоэнтропийные системы экзопланет, в которых выживают лишь самые массивные тела, могут оказаться нормой. Солнечная система могла оказаться совсем другой, чем та, в которой мы живем. Или, может быть, мы живем в ней именно потому, что она не похожа на другие?