Нил Тайсон - История всего
Каждый раз, когда мы прибегаем к методике «звездных танцев», чтобы искать и находить планеты, вращающиеся вокруг других звезд, мы не должны забывать о заложенных в нее погрешностях. Во-первых, чем ближе расположены планеты к своей звезде, тем меньше времени им нужно на то, чтобы совершить вокруг нее полное обращение. Так как у астрофизиков есть лишь ограниченное количество времени на то, чтобы наблюдать Вселенную, они, безусловно, в первую очередь будут обнаруживать планеты, скажем, с шестимесячным периодом обращения, а не те, которым требуется 10–12 лет на то, чтобы совершить один оборот. В обоих случаях, однако, астрофизикам так иначе нужно выжидать как минимум пару полноценных орбитальных циклов, чтобы убедиться в том, что они обнаружили повторяющееся поведение скорости звезды. Получается, что на обнаружение планеты с периодом обращения, сравнимым с юпитерианскими 12 годами, может уйти большая часть чьей-то карьеры.
Во-вторых, планеты оказывают тем большее гравитационное воздействие на свои звезды, чем ближе к ним они вращаются. Такое повышенное воздействие заставляет звезды «танцевать» быстрее, результатом чего становится более ощутимое доплеровское смещение в спектре их излучения. Так как обнаружить явное смещение проще, чем незначительное, более близкие к своим звездам планеты привлекают больше внимания — и делают это быстрее, чем более удаленные от звезды планеты. Однако на каком бы расстоянии от звезды она ни находилась, любая экзопланета должна примерно соответствовать по массе Юпитеру (а это в 318 раз больше массы Земли), чтобы ее можно было обнаружить с помощью доплеровского смещения. Планеты с гораздо меньшей массой не в состоянии заставить свои звезды «танцевать» достаточно заметно для того, чтобы современные технологии позволили нам запечатлеть их танцевальные па.
Таким образом, нет ничего удивительного в том, что из первых обнаруженных экзопланет все обладают массой, сравнимой с массой Юпитера, и все вращаются близко к своим звездам. Удивительно то, насколько близко к своим звездам подобрались эти планеты. Так близко, что им не требуется нескольких месяцев и тем более лет того, чтобы завершить каждый полный оборот вокруг своей звезды, что характерно планет Солнца, им хватает… всего нескольких дней.
На сегодняшний день астрофизики нашли уже более дюжины планет, которые совершают полное обращение вокруг своей звезды менее чем за неделю, а одна рекордсменка проделывает это всего за два с половиной дня! Эта планета, вращающаяся вокруг солнцеобразной звезды под названием HD73 256, обладает массой, превышающей массу Юпитера не менее чем в 1,9 раза, и движется по слегка вытянутой орбите на среднем расстоянии от своей звезды, составляющем всего 3,7 % расстояния, разделяющего Солнце и Землю. Другими словами, эта гигантская планета обладает массой, более чем в 600 раз превышающей массу Земли, и при этом находится на расстоянии от своей звезды, составляющем менее одной десятой расстояния от Солнца до Меркурия.
Меркурий состоит из камня и металла, запеченных при температуре во много сотен градусов с повернутой к Солнцу стороны. В отличие от него Юпитер и другие гигантские планеты Солнечной системы (Сатурн, Уран и Нептун) представляют собой огромные газовые шары, внутри которых находятся твердые ядра, составляющие лишь несколько процентов от общей массы каждой из планет. Согласно всем теориям планетообразования, планета с массой, сопоставимой с массой Юпитера, не может быть твердой, как Меркурий, Венера и Земля, поскольку в первичном облаке, из которого все планеты сформировались, было слишком мало вещества, которое могло бы собраться в твердый комок, превратившийся потом в планету, масса которой более чем в несколько десятков раз превышает земную. Из этого следует заключение — и оно приближает нас еще на один шаг к разгадке фантастически увлекательного детектива об экзопланетах, — что все обнаруженные на сегодня экзопланеты (так как они сопоставимы по массе с Юпитером) должны также представлять собой огромные газовые шары.
Сразу хочется задать два вопроса. Первый: как могут эти гигантские планеты, подобные Юпитеру, вращаться так близко от звезд? Второй: раз они вращаются так близко, почему их газовая оболочка не испарилась под воздействием мощной тепловой энергии звезды? На второй вопрос можно ответить относительно просто: огромная масса планет способна удерживать рядом с собой даже самые легкие газы, нагретые до сотен градусов, так как гравитация планет способна преодолеть склонность атомов и молекул газа отбиваться от своего стада и уплывать в космос. В самых экстремальных условиях, правда, в этом поединке гравитация ведет лишь с минимальным перевесом, а планеты в таких случаях вращаются буквально на границе с самыми внутренними областями звездной системы, окажись они внутри их, действительно растеряли бы свой газ в процессе испарения под влиянием тепла звезды.
Первый же вопрос о том, как могут такие громадные планеты вращаться так близко к солнцеобразным звездам, приводит нас к фундаментальной особенности самого планетообразования. Как мы уже установили в главе 11, теоретики приложили много усилий к тому, чтобы хоть что-нибудь понять о процессах образования планет в нашей Солнечной системе. Они пришли к заключению, что планеты Солнца формировались постепенно, из маленьких комков вещества, разрастаясь все больше и больше, и все это происходило внутри блинообразного облака газа и пыли. Внутри этой плоской вращающейся массы вещества, окружавшей Солнце, начали формироваться отдельные скопления материала — сначала в произвольном порядке, а затем уже на основе этих самых первичных формирований, которые за счет своей плотности же обладали большей суммарной гравитацией по сравнению с другими разбросанными по облаку независимыми частицами. На финальных стадиях этого процесса Земля и другие планеты пережили активную бомбардировку оставшимися не у дел крупными кусками материала.
Пока разворачивался этот процесс всеобщего объединения, начало сиять Солнце, испаряя самые легкие элементы, такие как водород и гелий, в своем ближайшем окружении и оставляя в составе четырех своих ближайших планет (Меркурия, Венеры, Земли и Марса) практически сплошь тяжелые элементы: углерод, кислород, алюминий и железо. В то же время все сгустки вещества, которые сформировались на расстоянии от Солнца, многократно превышающем расстояние от него до Земли — от 5 до 30 раз, — оставались в относительной прохладе, что позволило им сохранить основательные запасы водорода и гелия в своем окружении. Так как два этих самых легких химических элемента еще и самые распространенные во Вселенной, в итоге в этих регионах Солнечной системы образовались четыре гигантские планеты, во много раз превышающие по массе Землю каждая.
Плутон не принадлежит ни к классу каменистых внутренних планет, ни к категории внешних газовых гигантов. Вместо этого он, все еще не изученный ни одним земным космическим кораблем, напоминает огромную комету, сделанную из камня и льда. Кометы обычно насчитывают в диаметре от 5 до 50 миль[54], в то время как в Плутоне все 2000 миль[55] от края до края. Кометы считаются одними из первых «существенных» с точки зрения размера объектов, сформировавшихся в ранние эпохи становления Солнечной системы. По возрасту тягаться с ними могут разве что самые старые метеориты — осколки камня, металла сплавов камня и металла, которые когда-то падали на поверхность Земли и были рассекречены теми, кто умеет отличать космический метеорит от обычного садового булыжника.
Таким образом, планеты образовались из вещества, как и кометы с метеоритами, причем газовые гиганты воспользовались своими твердыми ядрами для того, чтобы притянуть и удержать около себя этот самый газ. Датирование радиоизотопами содержащихся в метеоритах минералов показало, что наиболее старым из них может быть до 4,55 миллиарда лет — а это гораздо больше, чем самым древним камням из найденных на Луне (4,2 миллиарда лет) на Земле (чуть меньше 4 миллиардов лет). Рождение Солнечной системы, которое состоялось примерно за 4,55 миллиарда лет до н. э., в самом буквальном смысле привело к сегрегации планетных миров на две группы: относительно малых и твердых внутренних планет и гораздо более крупных и по большей части газовых планет-гигантов. Четыре внутренние планеты вращаются вокруг Солнца на расстоянии, составляющем от 0,37 до 1,52 астрономической единицы, в то время как четыре гиганта расположились на гораздо более серьезных расстояниях от нашей звезды: оно составляет от 5,2 до 30 астрономических единиц. Именно это и позволило им разрастись до своих гигантских размеров.
Это описание того, как образовались планеты Солнечной системы, выглядит довольно стройным — впору испытать раздражение от того, что нам удалось обнаружить столько примеров объектов, по массе сопоставимых с Юпитером и при этом расположенных намного ближе к своим звездам, чем расстояние от Меркурия до Солнца. Действительно, из-за того, что все наиболее рано обнаруженные экзопланеты оказались на столь малых расстояниях от своих звезд, какое-то время принято было считать, что наша Солнечная система скорее исключение из вселенских правил, чем образцовый пример планетообразования, как предполагали теоретики в те далекие дни, когда у них не на чем больше было основывать свои догадки и теории. Осознав погрешность, заложенную в той относительной легкости, с которой им удавалось обнаруживать расположенные близко к звездам планеты, они ободрились и в скором времени нашли (с немалой точностью) еще ряд газовых гигантов на гораздо больших расстояниях от их звезд.
