Когато астрономите откриха първата екзопланета около обикновена звезда преди две десетилетия, те бяха едновременно щастливи и озадачени: откритата планета 51 Пегас b беше един и половина пъти по-масивна от Юпитер, но в същото време беше разположена изключително близо до звездата: прави една революция само за 4 дни, което много по-бърза от Меркурий, най-близката до Слънцето планета, прави революция за 88 дни. Теоретиците, изучаващи планетарната формация, не виждаха възможността за формиране и растеж на планета в такава близост до новородена звезда. Може би това беше изключение от правилото, но скоро бяха открити още няколко горещи Юпитери, които бяха присъединени от други странни планети: по удължени и силно наклонени орбити, и дори въртящи се срещу посоката на въртене на родителската звезда.
Ловът за екзопланети се е ускорил след пускането на космическия телескоп Kepler през 2009 г., а 2500 открити от него светове са добавили статистика за изучаване на екзопланети - и това е довело до още повече объркване. Кеплер откри, че най-разпространеният тип планета в галактиката е някъде между Земята и Нептун - свръхземли, които нямат аналози в нашата Слънчева система и се считат за почти невъзможни. Съвременните наземни телескопи улавят светлина директно от екзопланети, вместо да засекат присъствието им косвено, както прави Кеплер, и тези данни също са необичайни. Бяха открити гигантски планети с маса, няколко пъти по-голяма от масата на Юпитер, разстоянието от което до родителските звезди е два пъти по-голямо от разстоянието от Нептун до Слънцето - тоест те са в друг регион, т.е.където теоретиците смятат раждането на големи планети невъзможно.
„От самото начало беше очевидно, че наблюденията не са много теоретични“, казва Брус Макинтош, физик от Станфордския университет в Пало Алто, Калифорния. "Никога не е имало момент, в който теорията да е потвърдила наблюдението."
Теоретиците се опитват да създадат сценарии за „отглеждане“на планети на места, които някога са били смятани за забранени. Те предвиждат планетите да могат да се образуват в много по-подвижна и хаотична среда, отколкото някога са си представяли, като зараждащите се планети се движат от кръгови орбити, близки до звездата, към по-продълговати и далечни. Но непрекъснато разрастващият се зоопарк от екзотични планети, който изследователите наблюдават, означава, че всеки нов модел е предварителен. „Всеки ден можете да откриете нещо ново“, казва астрофизикът Томас Хенинг от Института по астрономия. Макс Планк в Хайделберг, Германия. „Това е като да откриеш нови полета по време на златния прилив.“
Традиционният модел за образуване на звезди и техните планети датира от 18 век, когато учените предполагат, че бавно въртящият се облак прах и газ може да се срути под собствената си гравитация. По-голямата част от материала образува топка, която се свива, загрява и става звезда, когато центърът й стане достатъчно плътен и горещ, за да инициира термоядрени реакции. Гравитацията и ъгловият импулс събира останалия материал около протостар в плосък диск от газ и прах. Когато се движат по този диск, частици от материала се сблъскват и се „слепват“от електромагнитни сили. В течение на няколко милиона години, частиците прерастват в зърна, камъчета, камъни и в крайна сметка до километрови плацесимали.
В този момент гравитацията поема, настъпват сблъсъци на планетесимали и пространството е напълно изчистено от прах, в резултат на което се образуват няколко пълноценни планети. Докато това се случи във вътрешната част на диска, по-голямата част от газа от него се абсорбира от звездата или се издува от нейния звезден вятър. Липсата на газ означава, че вътрешните планети остават до голяма степен скалисти, с тънки атмосфери.
Този процес на растеж, известен като ядро натрупване, е по-бърз във външните части на диска, където температурите са достатъчно ниски, за да замръзнат вода. Ледът в този случай допълва праха, което позволява на протопланетите да се консолидират по-бързо. Резултатът е твърдо ядро пет до десет пъти по-тежко от Земята - достатъчно бързо, за да може външният участък на протопланетарния диск да остане богат на газ. Под въздействието на гравитацията ядрото „дърпа“върху себе си газа от диска, създавайки газов гигант като Юпитер. Между другото, една от целите на космическия кораб "Юнона", който отлетя за Юпитер по-рано този месец, е да определи дали планетата наистина има масивно ядро.
Промоционално видео:
Този сценарий създава планетна система, подобна на нашата: малки скалисти планети с тънка атмосфера са близо до звездата; има газов гигант като Юпитер точно извън снежната линия (където температурата е достатъчно студена, за да замръзне водата), а други гиганти постепенно се появяват на големи разстояния и те се оказват по-малки, защото се движат по-бавно в орбитите си и се нуждаят от повече време за събиране на материал за протопланетен диск. Всички планети остават приблизително там, където са се образували, и се движат по кръгови орбити в една и съща равнина. Приятно и спретнато.
Но откритието на горещите Юпитери подсказва, че нещо е сериозно в противоречие с теорията. Планета с орбита, която отнема само няколко дни в орбита, е много близо до звезда, което ограничава количеството материал, което може да образува. Изглеждаше неразбираемо, че на такова място може да се образува газов гигант. И неизбежното заключение е, че такава планета би трябвало да се е образувала значително по-далеч от своята звезда.
Теоретиците измислиха два възможни механизма за разбъркване на планетарната палуба. Първата, известна като миграция, изисква много материал, за да остане на диска след формирането на гигантската планета. Гравитацията на планетата изкривява диска, създавайки области с по-голяма плътност, които от своя страна упражняват гравитационен ефект върху планетата, причинявайки й постепенно да се отклонява навътре към звездата.
Има подкрепящи доказателства за тази идея. Съседните планети често се оказват в стабилен гравитационен "сноп", известен като орбитален резонанс - тоест дължините на орбитите им са свързани като малки цели числа. Например, когато Плутон се завърта около Слънцето два пъти, Нептун има време да се обърне точно три пъти. Малко вероятно е това да се случи случайно, така че най-вероятно това се е случило по време на миграция, като по този начин се придава на планетите допълнителна гравитационна стабилност. Миграцията в началото на историята на нашата Слънчева система може да обясни други странности, включително малкия размер на Марс и астероидния пояс. За да ги обяснят, теоретиците измислят хипотезата за „голямо отклонение“, при която Юпитер първоначално се е формирал по-близо до Слънцето, след което той се е насочил навътре почти до орбитата на Земята, събирайки материал и по този начин „лишава“Марс от него.и след формирането на Сатурн, под въздействието на гравитацията и налягането на газа във вътрешния участък на диска, той се връща обратно, по пътя „задвижвайки“остатъците от прах и пластезимали в астероидния пояс.
Някои моделисти намират подобни сценарии за излишно сложни. „Наистина вярвам в бръснача на Окам („ Това, което може да се направи с по-малко [предположения], не трябва да се прави с повече “, - приблизително превод)“, казва Грег Лолин, астроном от Калифорнийския университет в Санта Круз). Лафлин твърди, че планетите най-вероятно са се образували на същото място, където ги виждаме сега. Той казва, че големи планети биха могли да се образуват близо до звездата им, ако протопланетарните дискове съдържат много повече материал, отколкото се смяташе досега. Все още може да възникне някакво планетарно движение - достатъчно, за да се обяснят например резонансите, но „това е последната настройка, а не основният тръбопровод“, казва Лафлин.
Но други теоретици твърдят, че просто не може да има достатъчно материал за формиране на планети толкова близо до звездите, като 51 Пегас б и други, които са още по-близо. „Те не биха могли да се формират на тяхно място“, категорично казва физикът Джошуа Уин от Масачузетския технологичен институт. И значителна част от екзопланети, които са в продълговати, наклонени или дори обърнати орбити, също изглежда предполагат някакво разбъркване на планетарната система.
За да обяснят тези странности, теоретиците цитират "оръжие за близък удар" - гравитация, а не успокоителна миграция. Богата на материал протопланетен диск може да създаде много планети една до друга, където влиянието на гравитацията може да направи орбитите на някои от тях близо до звездата, да се наклони и дори да изхвърли планетата от системата напълно. Друг потенциален разрушител е другарска звезда в продълговата орбита. През повечето време той е твърде далеч, за да окаже значително влияние върху планетарната система, но в близост до него би могъл значително да „измести“орбитите на планетите. Или, ако родителската звезда е член на тясно сплетен звезден клъстер, съседната звезда може да се приближи достатъчно, за да размести орбитите си или дори да „грабне“една или повече планети за себе си.„Има много начини да разбиете планетарна система“, казва Уин.
Неочаквано заключение направиха изследователи, които изследваха планетите, открити от Кеплер - оказа се, че 60% от свръхземите, обикалящи около слънчеви звезди, значително се различават от това, което наблюдаваме в Слънчевата система, и изискват преосмисляне на съществуващите теории. Повечето суперземли, които са предимно твърди с малки обеми газ, следват орбитите по-близо до звездите от Земята и често звездите имат повече от една такава планета. Например, системата Kepler-80 има четири супер-земни, всички с орбити от 9 дни или по-малко. Конвенционалната теория твърди, че натрупването в снежна линия е твърде бавно, за да се получи нещо толкова голямо. Но суперземните рядко се срещат в резонансни орбити, което говори за това, че те не са мигрирали, а са се образували веднага там, където ги намираме.
Изследователите измислят нови начини за решаване на този проблем. Една от идеите е да се ускори аккрецията с помощта на процес, известен като камъчен нарастване. Диска, богат на газ, има голям ефект върху обекти с големина на камъчета. Това обикновено ги забавя, принуждавайки ги да се отклоняват по-близо до звездата. Но колкото по-близо са те до звездата, толкова по-голяма е плътността и в резултат на това скоростта на образуване на планетесимали се увеличава с намаляване на разстоянието до звездата. Но ускореното натрупване и богатият на газ диск създават собствен проблем: в такъв случай суперземлите трябва да придобият плътна атмосфера, когато надхвърлят определен размер. "Как да им попречите да станат газови гиганти?" пита астрофизикът Роман Рафиков от Института за усъвършенствани изследвания в Принстън, Ню Джърси.
Юджийн Чанг, астроном от Калифорнийския университет в Бъркли, казва, че няма нужда да се ускорява аккрецията, стига дискът да е наситен и богат на газ. Вътрешният диск 10 пъти по-плътен от този, който е образувал слънчевата система, лесно може да създаде една или повече свръхземи, които ще се появят в последните дни от съществуването на протопланетарния диск, когато по-голямата част от газа вече се е разсейвала, каза той.
Някои предварителни наблюдения от големия мм / субмилиметров телескоп ALMA в северната част на Чили подкрепят това предложение. ALMA може да визуализира радиоемисиите от прах и чакъл в протопланетарните дискове, а няколкото диска, които е изследвал досега, изглеждат сравнително масивни. Но наблюденията все още не са крайната истина, тъй като ALMA все още не е напълно действащ и може да се използва само за наблюдение на външните части на дисковете, а не на регионите, в които се намират суперземите. „Ще можем да видим вътрешните площи, когато ALMA може да използва всичките си 66 антени“, казва Чанг.
Чанг има обяснение и за другото откритие на Кеплер: суперпуки, рядък и също толкова проблемен вид планети, които са по-леки от суперземните, но изглеждат огромни поради буйната им атмосфера, представляваща 20% от масата им. Смята се, че такива планети се образуват в богат на газ диск. Но във вътрешния диск такъв обем горещ газ не може да бъде задържан от силите на слаба гравитация на протопланетата, така че студеният и плътен газ на външния диск е по-вероятно място за произхода на такива планети. Чанг приписва на миграцията своите близки до звезди орбити, твърдение, подкрепено от факта, че свръхчовеците често се намират в капан в резонансни орбити.
Досега по-голямата част от вниманието в изследванията на екзопланетите беше съсредоточена върху вътрешните части на планетарните системи, до около разстояние, еквивалентно на орбитата на Юпитер, по простата причина, че всички съществуващи методи за откриване на екзопланети не им позволяват да бъдат открити на по-далечни разстояния от звездата. Два основни метода - измерване на вибрациите на звезди, причинени от гравитационното влияние на планетите, и измерване на периодичното потъмняване на диска на звезда, докато планетите преминават през нея - ви позволяват да намерите големи планети в близки орбити. Заснемането на изображения на самите планети е изключително трудно, тъй като тяхната слаба светлина е почти удавена от светлина от техните звезди, която може да бъде милиард пъти по-ярка.
Но използвайки най-големите телескопи в света, астрономите успяха да видят няколко планети. Спектрополариметричната система с висок контраст (SPHERE) и Twin Planet Imager (GPI), добавена към големи телескопи в Чили, са оборудвани със сложни маски, наречени коронаграфи, за да блокират звездната светлина. Затова не е изненадващо, че планетите, далеч от своите звезди, са най-лесните цели за тях.
Една от най-ранните и поразителни планетни системи, открити чрез директно изобразяване, е тази около HR 8799, където четири планети са разположени от звездата на разстояния от орбитата на Сатурн до повече от два пъти повече от орбитата на Нептун. Най-удивителното е, че и четирите планети са огромни, повече от пет пъти по-големи от масата на Юпитер. Според теорията, планетите в такива далечни орбити се движат толкова бавно, че те трябва да растат със скоростта на охлюв и да натрупват маси, значително по-малко от тези на Юпитер към момента, в който дискът за газ и прах изчезне. И въпреки това техните "добри" кръгови орбити предполагат, че те веднага са се образували върху тях и не са мигрирали към тях от райони, по-близки до звездата.
Такива далечни гиганти дават подкрепа на най-радикалната теория, при която някои планети се формират не чрез натрупване, а чрез така наречената гравитационна нестабилност. Този процес изисква богат на газ протопланетен диск, който се разпада на "струпвания" под собствената си гравитация. Тези натрупвания на газ в крайна сметка се комбинират и сриват в газови планети, без да образуват твърдо ядро. Моделите предполагат, че механизмът ще работи само при определени обстоятелства: газът трябва да е студен, не трябва да се върти прекалено бързо, а сгъстеният газ трябва да може да отстранява топлината. Може ли тази теория да обясни планетите около HR 8799? Рафиков казва, че само двете външни планети са достатъчно далечни и студени. „Все още е доста загадъчна система“, казва той.
В миналото радиотелескопските наблюдения на протопланетарните дискове предоставят известна подкрепа за теорията за гравитационната нестабилност. Чувствителни към студен газ, телескопите откриват дискове, „пръснати“с натрупвания на газ. Но най-новите изображения от ALMA рисуват различна картина. ALMA е чувствителен при по-къси дължини на вълната, при които зърнените прах се отделят в средната равнина на диска, а изображенията му на звездата HL Tauri през 2014 г. и TW Hydrae тази година показаха гладки симетрични дискове с тъмни кръгли „пролуки“, простиращи се далеч отвъд орбитата на Нептун (виж фигурата по-долу). „Това беше невероятна изненада. Дискът не беше хаотичен, имаше приятна, правилна, красива структура”, казва Рафиков. Тези пропуски, подсказващи за планетите, които са ги направили,ясно говорят в полза на модела на нарастване, който е удар за привържениците на модела на гравитационната нестабилност.
Рано е да се каже какви други изненади ще имат GPI и SPHERE. Но регионът между отдалечените региони на планетарните системи и близките околности на звезди с горещи Юпитери и свръхземи остава упорито недостъпен: твърде близо до звездата за директна визуализация и твърде далеч за косвени методи, основани на колебания или потъмняване на родителската звезда. В резултат на това теоретиците е трудно да получат пълна картина на това как изглеждат екзопланетарните системи. „Основаваме се на фрагментарни и непълни наблюдения“, казва Лофлин. "В момента всички предположения вероятно са грешни."
Астрономите няма да трябва дълго да чакат нови данни. НАСА ще стартира сателита за изображения на екзопланети (TESS) догодина, като по това време се очаква и Европейската космическа агенция (ESA) да пусне сателит за характеристика на екзопланета (CHEOPS). За разлика от Кеплер, който изследва голямо разнообразие от звезди, само за да идентифицира екзопланети, TESS и CHEOPS ще се съсредоточат върху звезди, близки до Слънцето, което позволява на изследователите да изучават мигрираща тера инкогнита (неизвестни земи - прибл. Превод). И тъй като целевите звезди са близо до Слънчевата система, наземните телескопи трябва да могат да оценят масата на откритите планети, което позволява на изследователите да изчислят плътността им и да знаят дали те са твърди или газообразни.
Телескопът Джеймс Уеб, който ще стартира тази година, ще може да отиде още по-далеч, като анализира светлината от звезда, която преминава през атмосферата на екзопланетата, за да определи нейния състав. „Съставът е важен ключ за оформянето“, казва Макинтош. Например, търсене на тежки елементи в свръхземна атмосфера може да покаже, че за бързото формиране на планетарни ядра е необходим диск, богат на такива елементи. И през следващото десетилетие космически кораби като TESS и CHEOPS ще се присъединят към лов на екзопланети, заедно с ново поколение огромни наземни телескопи с огледала на 30 метра или повече.
Ако старите теории до последно помогнаха на моделиерите да се изправят здраво на краката си, тогава под натиска на нови открития тази основа започва да се руши и изследователите ще трябва да се потят, за да останат на краката си. „Природата е по-умна от нашите теории“, казва Рафиков.
ЕГОР МОРОЗОВ
