Паутина для гигантов: почему планеты-великаны не должны существовать

Представьте себе картину рождения планетной системы. Пыль и газ медленно кружатся вокруг молодой звезды, слипаются в комки, растут, превращаются в зародыши миров. Где-то на задворках этого космического вихря должны возникнуть газовые гиганты — Юпитеры и Сатурны иных систем. Но есть одна загвоздка: согласно компьютерным моделям, эти гиганты обречены погибнуть, не успев толком сформироваться. Они падают на свою звезду, как мотыльки в огонь, и астрономы до сих пор не могут убедительно объяснить, почему в реальности всё иначе.

Как растут планеты: от пылинки до олигарха

Современная теория планетообразования рисует довольно стройную последовательность. Всё начинается с крошечных пылевых частиц в протопланетном диске. Они сталкиваются, слипаются и постепенно образуют планетезимали — тела диаметром около километра. Дальше — больше: планетезимали продолжают собирать материал, растут и превращаются в зародыши планет размером в сотни и тысячи километров.

На этом этапе в игру вступает «олигархический» механизм. Среди множества зародышей выделяются самые крупные и прожорливые. Они начинают доминировать в своих окрестностях, поглощая более мелких соседей. В итоге ближе к звезде формируются несколько относительно скромных тел — будущие планеты земного типа, а на расстоянии свыше трёх астрономических единиц вырастают настоящие монстры, которым суждено стать газовыми гигантами.

Теория красива и логична, но при попытке воспроизвести её в компьютерных симуляциях возникает фатальная трудность.

Провал в бездну: сто тысяч лет до гибели

Когда на периферии диска появляются массивные объекты-олигархи, им ещё предстоит долгий процесс набора массы — они должны втянуть в себя окружающий газ. Но как только их масса достигает определённого порога, гравитационное взаимодействие с газовым диском начинает стремительно уменьшать радиусы их орбит. Протопланета, двигаясь сквозь плотный газ, испытывает что-то вроде торможения: она возмущает вещество диска, выбрасывая потоки пыли и газа на более высокие орбиты, и при этом теряет энергию собственного орбитального движения. Как мотоцикл на ледяном треке, она соскальзывает всё ниже и ниже.

Результат моделирования неумолим: всего за 100 тысяч лет массивные объекты проваливаются во внутренние области системы и с высокой вероятностью падают на центральную звезду. Чтобы выжить, олигархам нужно продержаться хотя бы миллион-другой лет — тогда они успеют собрать большую часть вещества диска и стабилизироваться. Но отдельный массивный объект, обращающийся внутри газопылевого диска, обречён.

Спасение в толпе? Неутешительный эксперимент

Британские астрономы Пол Крессвел и Ричард Нельсон из Школы математических наук при Университете королевы Марии в Лондоне решили проверить, не изменит ли ситуацию коллективное поведение. Что, если олигархи выживают не поодиночке, а группой? Может быть, взаимные гравитационные пляски помогут хотя бы некоторым из них удержаться на безопасном расстоянии от звезды?

Учёные смоделировали совместную эволюцию нескольких протопланет внутри диска. Результаты, увы, оказались скорее пессимистичными. В подавляющем большинстве случаев протопланеты не спасали друг друга, а, напротив, синхронизировали своё падение. Они попарно входили в орбитальные резонансы — ситуации, когда периоды их обращения соотносятся как небольшие целые числа. Связанные такими резонансными цепочками, протопланеты начинали тянуть друг друга вниз: уменьшение периода одной побуждало к тому же связанную с ней, а та — следующую. Словно строй солдат, шагающих в ногу, они дружно отправлялись в пекло.

Лишь в редких случаях — примерно в 2% симуляций — взаимодействие приводило к тому, что одну из протопланет выбрасывало на достаточно далёкую орбиту, где она могла бы протянуть подольше. Но это было исключением, а не правилом.

Островок стабильности: пары на одной орбите

Впрочем, одна любопытная деталь всё же обнаружилась. Примерно в 20% прогонов протопланеты входили в резонанс с отношением периодов 1:1 — иными словами, начинали обращаться по общей орбите. Такие коорбитальные пары, подобно астероидам-троянцам на орбите Юпитера в нашей Солнечной системе, в ряде случаев могли продержаться внутри диска достаточно долго.

Это наблюдение позволило авторам сделать смелое предсказание: с развитием средств наблюдения у других звёзд должны обнаружиться пары планет, обращающихся по одной орбите. Пока таких систем не найдено, но сама возможность интригует.

И всё же в целом результат работы оказался негативным. Учёт взаимодействия протопланет не предотвращает их проваливания в центр системы. Существование планет-гигантов в Солнечной системе — и, по-видимому, во множестве других систем — остаётся необъяснённым.

В поисках выхода: гипотезы, которые ещё проверят

Астрономы, разумеется, не сдаются. Одна из гипотез предполагает, что образование крупных протопланет во внешних областях диска может повторяться несколько раз. Первые поколения гибнут, расчищая путь, а последнее формируется уже в изрядно поредевшем диске и не встречает столь сильного сопротивления. Другая идея — учесть турбулентность внутри протопланетного диска. До сих пор все модели рассматривали только ламинарное, спокойное вращение, но реальный диск наверняка бурлит, и эта турбулентность может кардинально менять картину миграции.

Все эти гипотезы ещё предстоит проверить. А пока загадка остаётся: как природа умудряется строить газовые гиганты вопреки, казалось бы, неумолимым законам физики? Закон — паутина, и крупные, казалось бы, должны застревать в ней первыми. Но в космосе, похоже, паутина плетётся хитрее, чем в наших моделях.