Моделирование образования планет в протопланетных дисках сталкивается с серьезной проблемой: никак не удается удовлетворительным образом добиться формирования планет-гигантов.
Планеты-гиганты
Согласно современным представлениям, картина образования планетных систем выглядит примерно так. Сначала пылевые частицы слипаются, образуя планетезимали диаметром порядка километра. Затем, продолжая расти и сливаться, планетезимали формируют зародыши планет диаметром 100-1000 км. Среди них выделяются наиболее крупные тела, которые продолжают расти по “олигархическому” механизму, поглощая более мелкие. В итоге формируется несколько относительно небольших объектов вблизи звезды, которые становятся планетами земного типа, и несколько более крупных на расстоянии свыше 3 астрономических единиц, которым предстоит стать газовыми планетами-гигантами.
Эта теория выглядит довольно красиво, но сталкивается с одной серьезной проблемой при попытке численно смоделировать образование планетной системы. Когда на периферии сформировались массивные объекты-олигархи, им еще предстоит достаточно долго набирать вес путем аккреции окружающего газа. Однако едва только их масса становится достаточно большой, гравитационное взаимодействие с газовым диском начинает быстро уменьшать радиусы их орбит. Проходит всего 100 тысяч лет, и все массивные объекты проваливаются во внутренние области системы, где с высокой вероятностью падают на центральную звезду. Двигаясь по кругу, протопланета, подобно мотоциклу на ледяном треке, выбрасывает на более высокие орбиты потоки пыли и газа. На это, конечно, расходуется энергия орбитального движения самой протопланеты, и, пока диск остается достаточно плотным, она довольно быстро теряет высоту.
Чтобы спастись, “олигархам” надо продержаться внутри диска хотя бы миллион-другой лет. Этого времени им хватит, чтобы сконцентрировать в себе большую часть вещества диска. Однако результаты моделирования неумолимы, как суд над Ходорковским: отдельный массивный объект, обращающийся внутри газопылевого диска, непременно гибнет.
Астрономы Пол Крессвел (Paul Cresswell) и Ричард Нельсон (Richard Nelson) из Школы математических наук при Университете королевы Марии в Лондоне решили проверить, не могут ли “олигархи” выжить, если объединятся в группу. Выражаясь точнее, они решили смоделировать совместную эволюцию группы протопланет внутри диска в надежде на то, что взаимодействие между ними позволит избежать проваливания в центр системы хотя бы некоторым крупным протопланетам.
Увы, результаты моделирования оказались не слишком обнадеживающими. После многократных прогонов модели выяснилось, что лишь в редких случаях (около 2%) взаимодействие между массивными протопланетами приводит к тому, что одна из них выбрасывается на достаточно большую орбиту, что позволяет продлить ей жизнь. Однако в остальных случаях все протопланеты начинают совместно двигаться вниз, к звезде, где их ждет бесславный конец.
Интересно отметить, что в этом движении протопланеты в каком-то смысле даже помогают друг другу. В результате серии взаимодействий они попарно попадают в резонанс друг с другом, когда периоды обращения соотносятся как небольшие целые числа. Соединенные такими резонансными связями протопланеты как бы тянут друг друга за собой – уменьшение периода обращения одной планеты побуждает к уменьшению периода связанную с ней, а та, в свою очередь, вызывает сокращение периода у следующей связанной с ней протопланеты. И так, строем, все они отправляются в пекло.
Правда, примерно в 20% случаев наблюдалось одно исключение из этой печальной картины – когда протопланеты входили в резонанс с отношением периодов 1:1, то есть, грубо говоря, обращались по общей орбите (это не совсем точно, поскольку орбиты могли заметно различаться, совпадали – да и то в среднем за несколько оборотов – только периоды обращения). Такие пары коорбитальных протопланет в ряде случаев могли продержаться внутри диска достаточно длительное время. На этом основании авторы работы предсказывают, что с развитием средств наблюдения у других звезд должны найтись пары планет, обращающихся по общей орбите примерно так же, как в Солнечной системе по орбите Юпитера обращаются группы астероидов Греки и Троянцы.
Несмотря на это интересное предсказание, в целом результат новой работы оказался негативным. Показано, что учет взаимодействия протопланет не позволяет предотвратить их проваливание в центр формирующейся системы. Так что на сегодня существование планет-гигантов в Солнечной системе по-прежнему остается необъясненным.
Конечно, астрономы продолжают искать объяснения. Согласно одной из гипотез, образование крупных протопланет во внешних областях диска может повторяться несколько раз. Первые поколения гибнут, а последнее уже не встречает большого сопротивления со стороны диска, потерявшего значительную часть массы. Другая идея состоит в том, чтобы учесть турбулентность внутри протопланетного диска – до сих пор все модели учитывали только ламинарное вращение. Все эти гипотезы еще предстоит проверять.