Планетологи из Аргентины, Мексики и Франции опубликовали результаты компьютерного моделирования планетогенеза, которые объясняют существование газовых планет, обращающихся на больших расстояниях от материнских звезд. Их работа появилась в последнем выпуске Nature (Pablo Benitez-Llambay et al., Planet heating prevents inward migration of planetary cores, Nature 520, p. 63-65 (2 April 2015).
Этой осенью астрономы отметят двадцатилетний юбилей успешного поиска планет, не входящих в Солнечную систему (экзопланет, как их обычно называют). 23 ноября 1995 года профессор астрономии Женевского университета Мишель Мэйор и его аспирант Дидье Келоз опубликовали в Nature статью, из которой мир узнал о долгожданном открытии несветящегося спутника звезды 51 Пегаса. Всего через несколько недель американцы Джеффри Марси и Пол Батлер подтвердили этот результат и сообщили о регистрации еще пары планет, обращающихся вокруг звезд 47 Большой Медведицы и 70 Девы. С тех пор планетарная астрономия раз и навсегда вышла за пределы Солнечной системы. А позднее подобные открытия посыпались одно за другим.
С тех пор поиск внесолнечных планет дал богатейшие результаты. К концу января 2015 года было достоверно установлено существование примерно 1800 экзопланет (плюс 4 тысячи кандидатов). Среди них много газовых гигантов, которые удаляются от своих звезд лишь на малые доли астрономической единицы и потому сильно нагреваются звездным излучением (их называют горячими Юпитерами). В то же время открыто немало газовых планет, которые никогда не подходят к своим звездам ближе, чем на 1 а.е. Стандартная теория планетогенеза хорошо описывает рождение газовых гигантов первой группы, в то время как аутсайдеры представляют для нее серьезную проблему.
Дело здесь в следующем. Принято считать, что рождение планет всех типов (каменистых, газо-каменных и газовых) начинается с формирования плотных ядер-зародышей. Они появляются за счет столкновения и слипания планетезималей, твердых тел размером от метра до километра, обращающихся вокруг новорожденной звезды. Планетезимали, в свою очередь, возникают благодаря аггрегации частиц газо-пылевого диска, оставшегося от первичного облака, которое сжалось под воздействием собственной гравитации и дало начало звезде. Зародыши будущих планет поглощают своих соседей и быстро увеличиваются в размерах, одновременно очищая диск от его вещества.
Согласно стандартной модели, газовые планеты возникают только из достаточно массивных ядер, удаленных от звезд на большие дистанции. Такие ядра притягивают и поглощают встречные молекулы холодного газа настолько быстро, что успевают аккумулировать вокруг себя мощные оболочки еще до того, как вещество диска рассеивается в околозвездном пространстве. Продолжительность существования протопланетных дисков составляет от миллиона до десяти миллионов лет, и именно это время отпущено газовым планетам на завершение процесса формирования.
Эта модель хорошо объясняет рождение горячих Юпитеров. Они никак не могли возникнуть там, где пребывают в настоящее время — в пронизанных быстрыми частицами и излучениями окрестностях звезд. Это значит, что они сформировались на приличном удалении, а затем переместились на свои нынешние орбиты. Согласно стандартной модели, притяжение быстрорастущей планеты порождает внутри диска приливные силы, которые по спирали толкают планету по направлению к звезде. В конце концов планета стабилизируется на круговой или почти круговой орбите неподалеку от звезды. Вычисления на суперкомьютерах показали, что таким образом планета может сократить расстояние до звезды на два порядка. Если в момент формирования оно составляло 5 а.е., как у Юпитера, то окончательная дистанция окажется равной 0,05 а.е., что типично для многих горячих Юпитеров. При массе зародыша в несколько земных масс он вполне может мигрировать с далекой траектории на ближнюю всего за какую-то сотню тысяч лет.
Однако миграция зародышей происходит не всегда. По данным наблюдений, доля газовых гигантов, которые удалены от своих звезд более, чем на 1 а.е., составляет 10-20%. Стоит напомнить, что в Солнечной системе их целых два — Юпитер и Сатурн. Встает вопрос, каким же образом некоторым растущим газовым планетам удается избежать центростремительной миграции. Сейчас эта загадка сильно занимает планетологов.
Авторы новой работы полагают, что здесь работает ранее не известный эффект, который они назвали тепловой раскруткой (в оригинале, heating torque). Состоит он в следующем. Растущий планетный эмбрион аккрецирует на себя не только газ, но и мелкие твердые тела, которых немало в газо-пылевом околозвездном диске. Их кинетическая энергия при соударениях с ядром переходит в тепло, нагревающее газ, который ядро увлекает за собой в ходе орбитального движения. Это приводит к повышению температуры газа, который расширяется и делается менее плотным. Газ впереди ядра при расширении толкает его назад, а газ, который следует за ядром, соответственно, вперед, При этом газ в задней зоне расширяется сильнее и поэтому его реактивное действие на ядро преобладает. В результате скорость ядра увеливается, его угловой момент растет, и ядро мигрирует прочь от звезды. При определенных условиях эта центробежная миграция может возобладать над центростремительной. Если это происходит, газовая планета завершает свое формирование вдали от звезды. Ко времени окончания этого процесса газо-пылевой диск настолько рассеивается, что уже не оказывает тормозящего действия на юную планету.
Согласно новой модели, судьба газовой планеты в первую очередь зависит от темпа аккреции твердых тел на ее ядро. Если он достаточно велик, эффект тепловой раскрутки успешно противостоит приливному торможению, и планета остается на звездной периферии. Например, ядро земной массы должно «потолстеть» в два раза за 60 тысяч лет, чтобы избежать миграции к звезде. В случае медленной аккреции ядро постепенно тормозится и по спирали приближается к звезде, превращаясь в горячий Юпитер. Авторы полагают, что их модель адекватно описывает динамику зародышей газовых планет с массами в диапазоне от одной трети массы Земли до пяти земных масс.
Если новая модель верна, то придется признать, что Юпитер и Сатурн устаканились на своих орбитах благодаря быстрой аккреции твердого вещества на их зародыши. Впрочем, возникни вблизи Солнца хоть один горячий Юпитер, у этой статьи не было бы ни автора, ни читателей. Будущим обитателям Земли сильно повезло в том, что околосолнечная планетная система сформировалась без особенных приключений.
