Солнечная система застряла на развилке

Пока человечество знало лишь одну планетную систему – Солнечную, астрономы веками упражнялись в попытках объяснить её происхождение естественным образом. Их усилия были направлены на то, чтобы модель «сама собой» предсказывала появление вокруг звезды планет, подобных нашим, и в тех местах, где они находятся у нас. Сначала идут небольшие планеты земной группы, за ними – планеты-гиганты вроде Юпитера и Сатурна, ещё дальше – середнячки вроде Урана и Нептуна.

Неудивительно, что эти модели, в общем и целом, достигали своей цели – в конце концов, глупо было бы публиковать теорию, которая уже опровергнута единственным известным фактом. Наверное, самый показательный пример здесь – теория Джинса, выдвинутая в начале прошлого века. Британец Джеймс Джинс предположил, что своим появлением Солнечная система обязана тесному сближению Солнца с другой звездой, вытянувшей из Солнца сигарообразную струю вещества, из которой потом образовались все планеты.

Согласно расчётам, под действием гравитационной неустойчивости в центре этой струи образовались бы крупные планеты, а по краям – более мелкие. Теория допускала даже зрительное истолкование: сама струя в центре была более толстой, чем к краям – так где, как не в центре, образовываться крупным телам. И хотя сейчас эти построения, сделанные в эпоху, когда даже источник энергии звёзд не был известен, кажутся как минимум наивными, они хорошо иллюстрируют стремление учёных найти объяснение тому, что было перед их глазами.

Более серьёзные теории образования планет предполагают, что Солнечная система образовалась из газопылевого диска, окружавшего нашу звезду на заре её существования.

Все они восходят к идеям, выдвинутым Кантом и Лапласом ещё на рубеже XVIII и XIX веков; уточнялись лишь детали. К середине XX века стало ясно, что процесс идёт в несколько стадий: сначала крохотные пылинки слипаются в песчинки, те, собирая на себя газ и пыль, образуют булыжники и глыбы. Эти камни собираются в так называемые планетезимали – объекты размером порядка километра, из которых – слипанием друг с другом и аккрецией окружающих газа и пыли – образуются планеты такими, какими мы их знаем.

Успехи в изучении строения вещества и его взаимодействия с излучением позволили предположить, что солнечный свет быстро выметет все лёгкие газы из горячих центральных областей Солнечной системы, и здесь будут формироваться в основном скалистые тела из тяжёлых элементов. В то же время планеты, появляющиеся на окраинах, где холоднее, соберут на себя большую часть водорода и гелия.

Наблюдения, казалось, лишь подтверждали эти модели. Когда же стало ясно, что практически все звёзды в процессе своего формирования были окружены газопылевыми дисками, возник даже вопрос: где все эти многочисленные планетные системы, которые должны быть так похожи на нашу? И астрономы принялись их искать.

Вот только когда первые планетные системы начали находить – а первая внесолнечная планета была открыта лишь в 1995 году – выяснилось, что они совсем не похожи на Солнечную.

Сейчас известно чуть более 300 планет, обращающихся вокруг двух сотен звёзд, в том числе несколько десятков систем, в которых известно более одной планеты. Но вместо близнецов Солнечной системы мы увидели одних уродцев, в которых планеты-гиганты с массой больше Юпитера кружатся внутри орбиты нашего Меркурия, «нептуны» занимают место Земли, а орбиты их совсем не круглые, а сильно вытянутые, эллиптические. Кроме того, в некоторых случаях планеты двигаются в резонансе друг с другом – пока одна из них совершает один оборот, другая делает ровно два, три и так далее. В Солнечной системе ничего подобного не замечено – только в главном поясе астероидов можно найти зоны, находящиеся в такого рода резонансе с большими планетами, но зон этих астероиды, напротив, избегают.

Как создать планеты–газовые гиганты в непосредственной близости от звезды, пока никто не придумал. Поэтому астрономы предполагают, что в процессе эволюции планеты-гиганты, зародившись далеко от своих звёзд, мигрировали в эту область. Идея планетной миграции за последние несколько лет произвела настоящий переворот в понимании процессов образования планетных систем, а компьютерное моделирование показало, что такая миграция возможна за неожиданно короткое по космическим масштабам время порядка миллиона лет.

С этим переворотом пришёл и очередной разворот в отношении к естественности Солнечной системы. Теперь астрономы чешут головы над вопросом:

так всё-таки, наши космические окрестности – это правило или исключение?

Вопрос далеко не тривиальный, и это тот редкий случай, когда в попытках ответить на него опираться на результаты наблюдений нельзя. Конечно, абсолютное большинство планетных систем, которые нам известны, на Солнечную совсем не похожи. Но дело в том, что систем, похожих на нашу, мы пока обнаружить просто не можем. Большинство методов обнаружения внесолнечных планет наиболее чувствительны именно к гигантским телам, обращающимся в непосредственной близости от своих солнц.

Группа канадских и американских астрономов под руководством Эдварда Томмеса из Гвельфского университета в канадской провинции Онтарио попыталась решить этот вопрос экспериментом – но не натурным, разумеется, а численным. Его результаты опубликованы в последнем выпуске Science. С помощью суперкомпьютера учёные смоделировали процесс образования планетных систем и миграции тел в них в первые полмиллиарда лет жизни новорождённой звезды, похожей на молодое Солнце. Заселив окружающий её газопылевой диск «зародышами» планет массой в тысячную долю массы Земли, астрономы стали следить за совместной эволюцией растущих планет и диска.

Подобные работы делались и прежде, однако, как правило, рассматривали лишь одну сторону процесса – гидродинамическую эволюцию диска или миграцию планет под действием взаимного притяжения и притяжения со стороны звезды. Попытки «поженить» два подхода также предпринимались, однако характерные временные масштабы процессов, протекающих в газе и в популяции планет, трудно соизмеримы, а потому, как правило, ограничивались эволюцией двух-трёх планет на небольшом промежутке времени (несколько тысяч оборотов вокруг звезды).

Томмес и его коллеги решили пожертвовать не временем, а точностью в описании газового диска. Во-первых, они заменили сложную физику аккреции (выпадения) вещества на планеты простой моделью. А сам диск, вместо того чтобы представлять его двух- и уж тем более трёхмерной структурой, они заменили на набор тонких круглых колец. В таком приближении почти вся гидродинамическая часть модели свелась к теории дисков, предложенной более 30 лет назад российскими астрофизиками Николаем Ивановичем Шакурой и Рашидом Алиевичем Сюняевым. С некоторыми дальнейшими упрощениями у модели осталось, по сути, лишь два параметра – полная масса газового диска и знаменитый параметр α, описывающий вязкость вещества в диске.

После этого оставалось лишь заставить машину считать, меняя параметры от одного эксперимента к другому. Всего их было проделано чуть больше сотни.

Как выяснилось, планетные системы, хоть чем-то похожие на нашу, в вычислениях появляются очень редко.

Лишь в 6% случаев по истечении 500 миллионов лет эксперимент не сходился к одной из двух крайностей. Первая из них – множество «горячих юпитеров», хаотично обращающихся в непосредственной близости от звезды по сильно вытянутым орбитам. Вторая – ни одной гигантской планеты, такой же беспорядок в центре и никаких спокойных круглых орбит на почтительном от звезды расстоянии. Вместе с тем, именно наличие Юпитера на круговой орбите во многом стабилизирует нашу планетную систему, заодно защищая жизнь на Земле от бомбардировки шальными кометами и астероидами: могучее притяжение гигантской планеты за миллиарды лет в значительной степени очистило окрестности Солнца от таких объектов.

Система, действительно подобная Солнечной – в ней две гигантские планеты, напоминающие наши Юпитер и Сатурн, и несколько планет помельче обращаются по круговым орбитам, – получилась лишь в 1 случае из 100. Для этого требуется достаточно чёткое соотношение между вязкостью и массой. Сделай диск чуть массивнее или менее вязким – и его наполнят «горячие юпитеры», чуть легче или вязче – и гигантских планет не останется вовсе.

Томмес и его коллеги пишут, что задним умом, после проведения эксперимента, несложно объяснить такой результат. В системе диск – планеты идёт своего рода борьба между двумя компонентами. Аккреция вещества из диска движет планеты к центру системы, и если диск достаточно массивен, их финальная судьба – быть поглощёнными звездой. В то же время планеты собирают на себя газ, одновременно смещаясь к центру системы, таким образом «выедая» сначала кольца, а потом и дыры в диске. Вопрос лишь в том, какой процесс идёт быстрее. Если газ исчезает слишком быстро, то крупные планеты не образуются, если слишком медленно – все они превратятся в «горячие юпитеры». И лишь в случае примерного равенства двух сил одна–две гигантских планеты успевают сформироваться, но к тому времени газа, который заставил бы их смещаться к центру, уже не остаётся.

Тем не менее, из этих результатов пока нельзя делать вывод, что Солнечная система «уникальна» или даже редка.

Во-первых, даже если это один случай на сотню, то помножив это число на десятки миллиардов похожих на Солнце звёзд в Галактике, можно получить сотни миллионов планетных систем, похожих на нашу.

А во-вторых, исходного распределения параметров модели – массы диска и его вязкости, определяемой химическим составом и долей пыли в нём, – никто не знает. Никто не может дать гарантии, что по множеству каких-то не известных нам пока причин условия не складываются благотворно именно для образования систем, подобных Солнечной. Так что у «скучной» работы по измерению химического состава и масс облаков газа, окружающих далёкие молодые звёзды, появилась неожиданно актуальная составляющая.