Молодые планетные системы естественным образом должны обеспечивать, что вновь образованные планеты не упадут на свою родительскую звезду. И такая «родительская защита» теперь экспериментально подтверждена с помощью цифрового моделирования. Задействованные в такой защите процессы позволяют порождать планеты в непосредственной близости от звезд - из небольших каменных глыб, которые собираются в области вблизи звезды.
Молодая планета возле зоны «родительского контроля» на диске, окружающем молодую звезду. Рисунок: MPIA-Grafikabteilung
Родители младенцев и малышей обычно следят за тем, чтобы их дом был безопасен для детей - как только ребенок сможет двигаться, защитные барьеры должны удерживать его подальше от опасных зон. Новое исследование формирования планет показывает, что нечто очень похожее происходит и в молодых планетных системах.
Планеты образуются вокруг молодой звезды, окруженной диском из газа и пыли. В этом протопланетном диске частицы пыли слипаются, становясь все больше и больше. И через несколько миллионов лет слипшиеся обломки уже достигают диаметра в несколько километров. К тому моменту гравитация становится достаточно сильной, чтобы такие объекты могли уже развиваться в планеты, то есть круглые объекты, твердые или, по крайней мере, с твердыми ядрами, с диаметром в несколько тысяч километров и более.
Подобно уже подросшим малышам, твердые объекты в такой молодой планетной системе имеют тенденцию двигаться во всех направлениях - не только вокруг звезды, но и к ней или от нее. Это может грозить смертельной опасностью, а именно, если планета упадет в свою звезду. Вблизи звезды мы встречаем только планеты, более или менее похожие на Землю - разумеется, в астрофизическом смысле. Они имеют твердую поверхность, как и наша Земля. Ядра планет могут захватывать и удерживать большое количество газа, но только тогда, если они находятся значительно дальше от своей звезды. Лишь на значительном удалении возникают так называемые газовые гиганты, как, например, Юпитер.
Самый простой способ рассчитать движение планеты в газе протопланетного диска вблизи звезды дает теоретический повод включать сигнал тревоги: результаты показывают, что такая планета должна непрерывно дрейфовать все дальше внутрь и падать на звезду в масштабе времени менее миллиона лет. И этот период намного короче времени жизни протопланетного диска.
Если бы все это протекало именно так, нас бы немало удивило то, что телескоп NASA Kepler в своих исследованиях звезд, подобных Солнцу, обнаружил нечто совершенно иное: а именно, множество звезд, вокруг которых на узких орбитах кружатся так называемые суперземли, то есть каменистые планеты, которые имеют значительно большую массу, чем наша Земля. Особенно часто встречаются планеты с орбитальными периодами от десяти до двенадцати дней. Для нашего Солнца это соответствовало бы планете, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии всего 0,1 астрономической единицы. Это всего лишь около четверти расстояния от Солнца до Меркурия, планеты, ближайшей к Солнцу в нашей планетной системе.
Прояснить это очевидное противоречие решили Марио Флок, руководитель группы в Институте астрономии им. Макса Планка, вместе с коллегами из Лаборатории реактивного движения, Чикагского университета и Университета королевы Марии в Лондоне. Задействованные исследователи являются экспертами по моделированию сложной среды, в которой формируются планеты, а также по моделированию потоков и взаимодействий газа, пыли, магнитных полей друг с другом, а также с планетами и их предшественниками.
Ввиду кажущегося парадокса обнаруженных «Кеплером» близких суперземель, они решили подробно смоделировать формирование планет вблизи звезд, подобных Солнцу. И их результаты действительно объясняют, почему «Кеплер» находит так много суперземель вблизи звезд, и даже предоставляют сразу два физических механизма этого. Во-первых, было показано, что такие ранние звездные системы обладают естественным «родительским контролем», по крайней мере, для каменистых планет, масса которых в 10 раз превышает массу Земли («суперземля» или «мининептун»).
Как и во многих привычных нам детских сдерживающих устройствах, перед опасной зоной существует барьер. Для молодых звезд это работает следующим образом: чем ближе они подходят к звезде, тем интенсивнее становится ее излучение. На определенном расстоянии от звезды в диске становится настолько горячо, что частицы пыли превращаются в газ - так называемый предел сублимации силикатов. Но чрезвычайно горячий газ в этой области чрезвычайно турбулентен. Эта турбулентность переносит газ с высокой эффективностью в направлении звезды, тем самым истончая внутреннюю область диска.
Когда молодая суперземля пролетает сквозь газ, она обычно сопровождается газом, который кружит вокруг звезды вместе с планетой, образуя форму подковы. Когда планета движется внутрь и достигает силикатной сублимационной границы, частицы газа, движущиеся от горячего, более тонкого газа в пределах границы к немного более плотному газу, слегка отталкивают планету наружу. В целом, влияния газа на планету оказывается достаточно, чтобы оттолкнуть ее от общей границы. Таким образом, граница становится защитным барьером, который предотвращает падение молодых планет в звезду. А ее (границы) положение соответствует для солнцеподобных звезд именно тем орбитальным периодам, которые также показал телескоп «Кеплер». «Почему же на узких орбитах так много суперземель, показанных нам «Кеплером»? Ответ прост: потому что молодые планетные системы имеют встроенный родительский контроль!»- говорит Флок.
Есть и другое объяснение существования суперземель на узких орбитах. Если при моделировании прослеживаются небольшие, похожие на гальку валуны диаметром несколько миллиметров или сантиметров, то затем оказывается, что такие элементы накапливаются непосредственно за границей силикатной сублимации. Главное же заключается в том, что газ по обе стороны границы должен находиться в равновесии сил, иначе граница сместится.
Поскольку часть стабилизации происходит за счет центробежной силы, тонкий газ в переходной области должен вращаться очень быстро. А это значит, что газ таким образом вращается быстрее, чем так называемая скорость Кеплера, а именно орбитальная скорость отдельной частицы, вращающейся вокруг звезды рассматриваемой массы. На скорости Кеплера, с точки зрения орбитальной частицы, притяжение звезды и центробежная сила находятся в равновесии.
Однако каменистый обломок, который входит в эту переходную область, теперь переносится газом и, таким образом, вращается быстрее, чем со скоростью Кеплера. На такой высокой скорости центробежная сила перевешивает, и каменистый объект выталкивается наружу, как маленький ребенок, соскальзывающий с платформы вращающейся карусели. В результате обломки собираются за пределами переходной области - расположенные дальше обломки продолжают дрейфовать внутрь, а то, что перемещается в переходную область, переносится наружу.
Такое накопление обеспечивает идеальные условия для появления новой суперземли из каменистых элементов за пределами переходного региона - еще одно объяснение того, почему здесь так много суперземель. Стоит отметить, что эти результаты не стали неожиданностью для исследователей. На самом деле ученые ранее уже обнаружили похожую ловушку для каменистых блоков в моделях гораздо более массивных звезд, но при этом гораздо дальше от звезды. Новое исследование расширяет этот механизм до звезд, похожих на Солнце, и добавляет «родительский контроль» для новорожденных планет.
Кроме того, представленное здесь исследование является первым, которое систематически сравнивает статистические данные с космического телескопа «Кеплер» и тщательно учитывает, что «Кеплер», благодаря своему особому методу наблюдения, транзитному методу, в принципе может идентифицировать только часть соответствующих систем.
Интересно, что в соответствии с этими критериями наша собственная Солнечная система могла разместить планету, подобную Земле, ближе к Солнцу, чем фактическую внутреннюю планету Меркурий. Но является ли тот факт, что такая планета в современной Солнечной системе не существует, статистическим совпадением, или такая планета все же существовала и была в конечном итоге вытолкнута из Солнечной системы? Это крайне интересный вопрос для будущих исследований. «Мало того, что в нашей Солнечной системе раньше существовал «замок от детей» - вполне возможно, что тогдашний ребенок вырос и куда-то переехал», - размышляет Флок.
