Загадки внесолнечных планет

Долгое время в науке господствовал взгляд, что планеты — очень редкое явление в космосе. Такой взгляд навязывала, например, теория происхождения планет английского астронома Джинса. По Джинсу, планеты Солнечной системы образовались из струи вещества, вырванной из Солнца случайно проходившей поблизости звездой. Струя эта была тоньше в начале, толще посредине и заканчивалась опять утоньшением, что объясняло, почему самые близкие и самые далекие солнечные планеты малы по массе и размеру, а центральные — это газовые гиганты. Сближение звезд — ситуация не только случайная, но и крайне редкая (во всяком случае, в наших регионах Млечного Пути), и поэтому образование планет, по теории Джинса, тоже оказывалось крайне редким событием. И действительно, вплоть до 1992 года ничто не указывало, что какие-либо другие звезды обладают такими же планетными семьями, как наше Солнце. Можно лишь удивляться стойкому оптимизму энтузиастов SETI, которые и в этих обстоятельствах продолжали твердить, что внесолнечные планеты существуют.

Ситуация изменилась, когда в 1992 году Алекс Волчан обнаружил одну или несколько планет вблизи одного из пульсаров. Пульсар слегка менял свое положение, видимо, в результате гравитационного воздействия одного или нескольких невидимых объектов. Параметры колебаний позволили Волчану определить совокупную массу этих объектов, которая оказалась много меньше звездных масс, но зато в пределах масс одной очень крупной планеты или нескольких поменьше.

Это открытие проложило путь к регулярному поиску невидимых планет по их гравитационному воздействию на свои звезды, и спустя всего три года такой поиск увенчался выдающимся успехом. В 1995 году Майор и Квелоз, работая в Женевской обсерватории, открыли планету около солнцеподобной звезды, именуемой в каталоге «51-я в созвездии Пегаса». Еще несколько месяцев спустя Марси и Батлер открыли свой «планетарный счет», обнаружив планету возле 70-й звезды созвездия Девы (сегодня на счету Марси и Батлера свыше 60 найденных планет). К ноябрю 2003 года полный список открытых астрономами внесолнечных планет достиг 119! Все они обнаружены около ближайших к нам звезд. Сегодня можно уже с уверенностью сказать, что планеты — не редкое, а весьма распространенное явление. Они наверняка будут обнаружены и возле более далеких звезд, как только это станет практически возможно. Но для этого нужно преодолеть серьезные трудности.

Прямое наблюдение внесолнечных планет затруднительно. Планеты светятся только за счет отраженного ими света своей звезды, и это их излучение (например, в Солнечной системе) в миллиард раз меньше, чем излучение самой звезды. Свет звезды попросту затмевает свечение планеты. Да и тепловое (инфракрасное) излучение планеты тоже слабее всего, что могут уловить существующие приборы.

Самым обнадеживающим методом представляется так называемое интерферометрическое погашение звезды. Если наблюдать одну и ту же звезду сразу в два телескопа и потом свести оба изображения вместе, то в двух разных лучах они погасят друг друга. Тогда излучение планеты, если она есть, четко обозначится на темном фоне. Разумеется, так просто бывает только в научно-популярных изложениях, а так хорошо — только в научно-фантастических романах, но первая практическая попытка использования этого метода уже была предпринята в ноябре 2003 года группой Хинца на чилийском телескопе Магеллан. И хотя затемнение звездного света в этой попытке было всего 95 процентов, тем не менее астрономам удалось обнаружить темный кольцевой «ров» в газопылевом диске, окружающем звезду, что, по нынешним представлениям, свидетельствует об идущем там образовании планеты — газового гиганта в несколько раз тяжелее Юпитера примерно на таком же расстоянии от звезды, как Сатурн от нашего Солнца.

Этот успех — хорошая новость для европейского и американского космических агентств, которые планируют запустить (в 2005 и 2010 годах) два проекта интерферометрического поиска планет: «Дарвин», иначе именуемый SIM (Space Interferometry Mission, или «Космический интерферометрический зонд»), и TRF (Terrestrial Planet Finder, или «Искатель землеподобных планет»), каждый из которых будет способен затемнять свет звезды в миллион (!) раз. «Дарвин» представляет собой систему из шести орбитальных телескопов, интерферометрическая связь которых должна позволить различать около ближайших звезд объекты всего лишь в несколько раз больше Земли. Четыре больших зеркала TRF будут размещены по углам квадрата размером с футбольное поле, позволяя различать землеподобные планеты даже на расстоянии 50 световых лет, а его спектрометр позволит анализировать атмосферу этих планет главным образом на наличие озона, метана и кислорода.

Но все это, разумеется, дело будущего. Однако уже сегодня суммарные данные о первых 119 внесолнечных планетах позволяют сделать некоторые обобщения. И первым из них является сам факт открытия такого множества планет. Как пишут Марси и Батлер, планеты-гиганты обнаружены у 5-10 процентов обследованных звезд типа Солнца (или близкого к этому типу), и можно думать, что такое же соотношение сохранится в дальнейшем. Это означало бы, что в нашей галактике могут существовать сотни тысяч и даже миллионы планет. Такой вывод подкрепляется также новыми теоретическими представлениями о механизме образования планет, выдвинутыми для объяснения странных свойств тех, что уже обнаружены. Надо сказать, что эти свойства оказались и в самом деле весьма неожиданными.

Все или почти все новооткрытые планеты или планетные семейства демонстрируют резкое отличие от планет Солнечной системы и от нее самой. Только в единичных случаях были обнаружены планеты, обращающиеся по круговым или почти круговым орбитам на достаточном удалении от своей звезды, сравнимом с удалением планет Солнечной системы от Солнца. В остальном это либо круговые орбиты, проходящие на необъяснимо близком расстоянии от звезды и требующие невероятно быстрого обращения планеты вокруг этой звезды (а ведь речь идет о газовых гигантах типа Юпитера!), либо резко эксцентрические орбиты, появление которых противоречит всем прежним взглядам на процесс образования планет.

Согласно этим взглядам, сменившим ныне отброшенную теорию Джинса, солнечные планеты образовались из того же протозвездного газопылевого диска, из которого образовалось Солнце, в то же время и примерно за тот же срок. И действительно, наша Земля и другие солнечные планеты — того же возраста, что Солнце. Различие между большими и малыми планетами, между газовыми гигантами с небольшим твердым ядром и твердыми, скалистыми шариками вроде Земли и Марса связано в этой теории с тем, что большие планеты сформировались в центральной части облака за счет постепенного налипания огромной массы газа на первичное ледяное ядро, а малые планеты сложились в самой близкой и самой далекой его частях, более бедных веществом, за счет многократных столкновений и слияний «планетных зародышей» («планетозималей»).

Поскольку твердые пылевые частицы облака содержали тяжелые химические элементы, в том числе и радиоактивные, которые осели затем в ядрах твердых планет, разогрев этих планет был вторичным, последующим явлением, вызванным процессами радиоактивного распада, идущими в их недрах. В такой картине планетообразования орбиты всех планет должны быть циркулярны и лежать в одной плоскости, поскольку первичное облако представляло собой вращающийся вокруг вертикальной оси плоский диск с утолщением в центральной части.

В случае новооткрытых внесолнечных планет эта теория планетообразования резко противоречит наблюдаемым фактам и не может дать им объяснения. Эти загадочные факты требуют новых теоретических представлений.

Список наших загадок, в сущности, сводится к одному-единственному вопросу: почему?

Почему, как сформулировал калифорнийский астроном Дж. Лафлин, все найденные на данный момент внесолнечные планеты распадаются на три неравные по численности группы:

«горячие Юпитеры» — те газовые гиганты, которые вращаются почти рядом со своей звездой и чья поверхность из-за этого имеет температуру раз в десять выше, чем на Юпитере;

«эксцентрические гиганты» — те планеты-гиганты, что обращаются по очень вытянутым эллипсам;

«долгопериодические малоэксцентрические Юпитеро-Сатурны»?

Типично ли такое деление? Не означает ли оно, что наша Солнечная система — а с нею и земная жизнь — космическая редкость или даже уникум?

За те девять лет, что прошли со времени открытия первой внесолнечной планеты, этот вопрос получил множество различных объяснений. Как и в добрых старинных английских романах, судьбу планет-гигантов во многом определяют обстоятельства их рождения. А эти обстоятельства, в свою очередь, — предмет рассмотрения сразу двух конкурирующих теорий. В одной из них главным механизмом рождения планеты-гиганта объявляется постепенное, медленное приращение его твердого ядра, и поэтому она называется «теорией приращения», а во второй — неожиданно возникающая нестабильность газопылевого диска, из которого рождается планета, и потому эта теория коротко называется «теорией нестабильности».

По «теории приращения», система с газовыми гигантами вроде нашей Солнечной — это космическая редкость, а по «теории нестабильности», такие планетные системы, как Солнечная, являются типичным результатом одновременного интенсивного зведообразования. Понятно, что первый вывод уменьшает, а второй, напротив, подкрепляет надежду встретить в космосе другие планетные системы, подобные нашей, а в них — и другую жизнь.

Эти теории объясняют, однако, лишь появление внесолнечных планет третьей группы, которые Лафлин назвал «долгопериодическими малоэксцентрическими Юпитеро-Сатурнами». По этим теориям, такие планеты рождаются в центральной части газопылевого диска и должны вращаться, как и он, по круговой (или почти круговой) орбите в приличном отдалении от своей звезды. Откуда же тогда берутся гиганты, которые крутятся, как безумные, почти вплотную к своим звездам, разогреваясь в десятки раз сильнее Юпитера, или, напротив, уходят далеко-далеко по узким вытянутым эллипсам, похожим, скорее, на орбиты комет, а не планет?

По этому поводу тоже было выдвинуто много разных гипотез. Замечательная «Энциклопедия внесолнечных планет» перечисляет как минимум пять.

В любом случае, и это самое важное, гигантские протопланеты не остаются в том месте, где они образовались. Они начинают «мигрировать», то есть перемещаться по диску. Эта миграция может быть направленной внутрь диска или наружу, к его периферии. Она может также быть хаотической, когда несколько массивных планет совершают сложный гравитационный танец друг вокруг друга.

Конечные результаты всех этих миграций тоже могут быть самыми разными. В одних случаях планета оказывается вблизи своей звезды и становится «горячим Юпитером». Ее движение замедляется гравитационными приливными силами звезды. Постепенно тормозясь, планета может перейти на спиральную траекторию и в конечном счете упасть на звезду и сгореть в ее недрах. Впрочем, компьютерные модели показали, что есть и другая возможность: в некоторых благоприятных случаях приливные взаимодействия планеты и звезды могут надолго стабилизировать орбиту горячего Юпитера почти вплотную к звезде.

Кто знает, не являются ли горячие Юпитеры «типа 51-й Пегаса», замеченные земными телескопами, теми обреченными, которых астрономы обнаружили на последнем этапе их жизни в процессе падения на звезду? А может, это те горячие гиганты, которым удалось стабилизироваться на близкой орбите, те счастливчики, которым повезло? Может, и наш Юпитер — такой случайный счастливчик, а до него несколько других околосолнечных гигантов уже исчезли в солнечных недрах? Все эти гадания стали вдруг до жути осязаемыми, когда совсем недавно земные телескопы зарегистрировали, что прежде тусклая звезда в созвездии Единорога вдруг трижды подряд вспыхнула в сотни тысяч раз ярче Солнца. По мнению астрономов, эти вспышки как раз и были результатом последовательного проглатывания звездой трех своих ближайших планет-гигантов (впрочем, в данном случае в результате «распухания» самой звезды).

Результаты хаотических блужданий гигантов в планетной системе могут быть не менее трагическими, даже если эти планеты не кончают жизнь в недрах своих звезд. В лучшем случае они существенно меняют место жительства, порой устраиваясь в конце концов довольно далеко от места рождения. Так, недавно в журнале «Science» были опубликованы результаты расчета астрономов Левисона и Морбиделли, которые показали, что наш Нептун родился значительно ближе к Солнцу, чем находится сейчас, и что его нынешнее положение — результат постепенной миграции наружу. Более того, те же расчеты приводят к выводу, что Нептун двигался на периферию Солнечной системы не в одиночестве, а толкая перед собой огромную массу твердых глыб, успевших образоваться рядом с ним, и эти глыбы, вытолкнутые за пределы орбиты нынешнего Плутона, образовали там нынешний «Пояс Койпера» (одним из ближайших представителей которого являются сам Плутон и его спутник Харон, а также недавно открытые астрономами 200 с лишним койперовских ледяных обломков; всего их, как считается, миллионы).

Ну, и наконец, гравитационные взаимодействия гигантских планет друг с другом могут привести не только к изменению орбиты и к значительному смещению планеты от места ее рождения, но даже — в самых резких случаях взаимодействия — к выбросу одной или нескольких новообразующихся планет из данной системы. И действительно, несколько лет назад астрономы открыли в космосе первые «планеты-сироты», блуждающие вдали от всяких звезд, не согреваемые их светом. Сегодня таких «одиноких планет» обнаружено уже довольно много, в основном в звездных скоплениях, и это говорит, что выброс планет из звездных систем отнюдь не является редким событием.

Михаил Вартбург