Планетные системы: почему все устроено именно так

Иркутский государственный университет и клуб молодых ученых «Альянс» продолжают цикл лекций «Научные Wekend`ы». В субботу, 24 октября, иркутский астроном Сергей Язев рассказал слушателям лектория о том, что современная наука знает о Солнечной системе и других планетных системах, открытых в последние годы.

Солнце и его окружение

В нашу планетную систему входят звезда Солнце; четыре планеты «земной группы» – Меркурий, Венера, Земля и Марс; четыре планеты-гиганта – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; а также как минимум 205 «малых тел» – спутников больших планет, некоторые из которых сами размером с малую планету. Между орбитами Марса и Юпитера (на расстоянии от 1,6 до 5 астрономических единиц от Солнца) расположен Главный пояс астероидов, за орбитой Нептуна (30–55 астрономических единиц) – астероидный пояс Койпера. А на дальней периферии Солнечной системы (от 50 до 230 тыс. астрономических единиц), но тем не менее относящееся именно к ней, находится облако Оорта.

– Астрономическая единица – это среднее расстояние от Солнца до Земли, то есть 150 млн километров, – пояснил Сергей Язев. – В Главном поясе известно около 800 тыс. астероидов, и современные телескопы позволяют открывать примерно сто штук в день. Скорее всего, их там не менее миллиона, и это только те, диаметр которых более 1 км.

Большинство астероидов в поясе Койпера, который намного больше Главного пояса, состоят изо льда, при этом некоторые из них считаются очень большими – более 1000 км в диаметре. Там же находится и Плутон, который долгое время считался девятой планетой Солнечной системы, а теперь «понижен в ранге» до рядового, хотя и очень крупного, объекта пояса Койпера. Облако Оорта находится так далеко от астрономов, что большая часть сведений о нем известна лишь теоретически. Однако большинство ученых признают, что именно оттуда к нам прилетают ледяные кометы.

Солнечная система имеет ряд закономерностей, часть из которых была известна уже в XVIII веке. Во-первых, орбиты планет практически круговые и лежат в одной плоскости. Во-вторых, все планеты вращаются вокруг своей оси и вокруг Солнца в том же направлении, что и само Солнце вокруг своей оси.

В-третьих, радиус расстояния от планеты до Солнца подчиняется правилу Тициуса-Боде. Одна из формулировок этого правила гласит: «Для любой планеты среднее расстояние от ее орбиты до орбиты Меркурия в два раза больше, чем среднее расстояние от орбиты предыдущей планеты до орбиты Меркурия». Открыл правило и первым опубликовал его немецкий астроном Иоганн Тициус, а его тезка Иоганн Боде включил правило в учебники и стал активным популяризатором этого важного открытия. Формула работает практически для всех планет: Меркурий по формуле должен находится на расстоянии 0,4 астрономических единицы от Солнца – в реальности 0,39; Венера – 0,7 и 0,72; Земля – 1 и 1; Марс – 1,6 и 1,52; пояс астероидов – 2,8, а в реальности – от 2,2 до 3,6. Существенно выпадает из правила только Нептун, а вот расположенные за ним Плутон и карликовая планета Эрида находятся на расстояниях, близких к рассчитанным по правилу Тициуса-Боде.

Следующая закономерность: планеты Солнечной системы делятся на две группы – плотные маленькие, с железным ядром и преимущественно силикатной корой, с небольшим количеством спутников (земная группа) и огромные газовые планеты-гиганты, с большим количеством спутников и очень высокой скоростью вращения. Науке требовалось объяснить и существование двух групп планет и двух поясов астероидов.

Еще одна закономерность Солнечной системы была вычислена не астрономами, а физиками: 99 процентов массы в системе принадлежат Солнцу, а 98 процентов импульса – планетам. Импульс – это произведение массы планеты на ее угловую скорость вращения вокруг Солнца и на квадрат расстояния до светила. Еще одна закономерность интересна скорее химикам: соотношение концентрации атомов химических элементов в веществе Солнца, метеоритов и земной коры (или океанской воды) полностью совпадает – если на Солнце много кислорода и мало технеция, то точно так же будет и в веществе любой планеты.

– Это еще раз подчеркивает, что вся наша Солнечная система сформировалась из одного и того же исходного вещества: если в нем было много кислорода и мало урана, то так и осталось, – отметил Сергей Язев.

Практически на всех планетах можно обнаружить и следы поздней (4,2–3,8 млрд лет назад) «метеоритной бомбардировки» – то есть кольцевые ударные кратеры, оставшиеся от очень сильных столкновений с небесными телами. Земля когда-то выглядела так же неприютно, как Луна, – кратеры диаметром 30 и более километров покрывали ее, пока воздействие воды и других природных факторов не сравняли их.

Многие ученые пытались предложить гипотезы и теории, которые позволили бы объяснить все видимые факты и рассказать о формировании Солнечной системы. Гипотеза Канта–Лапласа предполагает формирование звезды и планет из газа (Кант) или пыли (Лаплас), которые под действием гравитации уплотнялись и сформировали небесные тела. Советские ученые Отто Шмидт и Виктор Сафронов предложили и развивали теорию формирования планет не просто из пыли, а из пылевого диска, в котором находились небольшие (от десятков до сотен километров в диаметре) каменные тела, получившие название «планетезимали». Эти планетезимали стали ядрами, на которые налипали пыль и меньшие по размеру тела, а впоследствии сформировались планеты. Астероид Итокава, обследованный японским космическим аппаратом «Хаябуса» в 2005–2009 годах, считается одной из таких планетезималей, сохранившихся с древности: на его поверхности (с которой японским ученым удалось даже получить образцы грунта) видны крупные валуны, которые астероид ловил во время полета в космосе.

Множество солнц и множество планет

Одним из первых ученых, предположивших множественность звездных и планетных систем, считается Джордано Бруно (1548–1600). Бруно предполагал и существование внеземных цивилизаций, но при этом радовался тому, что они находятся так далеко от Земли, что контакт с ними маловероятен. Он полагал, что закончится встреча двух миров чем-то очень плохим, поскольку знал о недавнем (на тот момент) контакте между европейской и американской цивилизациями, завершившемся уничтожением последней.

Долгие годы человечество мечтало о контакте с другими цивилизациями, и за это время фантасты успели навыдумывать множество разновидностей инопланетян (от агрессивных до дружелюбных и от опередивших землян до сильно отставших в развитии), но ученые не имели достоверной информации хоть о какой-нибудь планетной системе. Нашлась она в созвездии Центавра, у звезды Проксима Центавра, считающейся к тому же ближайшей к нашей системе («проксима» по-гречески и означает «близкая»). Расстояние до нее всего 4,2 световых года, то есть свет от нее доходит до Земли всего за это время. Если бы земные ученые оказались в районе Проксимы и направили лучшие телескопы на Солнце, то из-за огромного расстояния не смогли бы разглядеть ни одну планету: Сергей Язев сравнил это с попыткой рассмотреть 5-рублевую монету на расстоянии 10 км невооруженным глазом. Помимо этого, планеты светятся отраженным от звезды светом так слабо, что при увеличении чувствительности телескопов сияние звезды «расплывается» в кадре и поглощает слабое свечение любой планеты. Попытки закрыть изображение звезд фильтрами предпринимались, и даже удавалось обнаружить рядом с ними какие-то объекты, но признать эти попытки достоверным обнаружением планет нельзя.

Открыть первую экзопланету рядом с звездой солнечного класса смогли швейцарские астрономы Дидье Кело и Мишель Мейер: в 1995 году они установили, что вокруг близкой к Солнцу по классу звезды 51 Пегаса вращается планета, получившая название 51 Пегаса b. Она расположена ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, это газовый гигант, который всегда повернут к звезде одной и той же стороной и разогрет до 1000 градусов по Цельсию. 20 лет потребовалось на разработку методики, позволивший сначала подтвердить существование планеты, а потом и получить оптическое излучение, отраженное от поверхности планеты. В 2015 году Международный астрономический союз провел конкурс на название планеты, и было выбрано имя Димидий, то есть «половина» – по подсчетам, вес экзопланеты равен половине веса Юпитера. В 2019 году Кело и Мейер получили за свое открытие Нобелевскую премию.

– Самое замечательное в том, что они не видели планету, которую открыли, да и великое множество других планет – тоже, – сказал Сергей Язев. – Мы говорим об их существовании по косвенным признакам. Первый метод состоит в том, чтобы обнаружить смещение звезды, вызванное притяжением планеты. Мы не видим планету, но видим, что звезду «болтает» вокруг некоего места. Это может быть потому, что звезда притягивает планету, но и планета притягивает звезду.

На примере Солнца, Юпитера и Сатурна этот факт был известен и ранее, однако если наблюдать за этим явлением с расстояния в несколько десятков световых лет, то подобное смещение будет очень незначительным и трудноуловимым. Потребуются десятилетия наблюдений, чтобы уловить и подтвердить эти искажения.

Второй метод состоит в измерении скорости движения звезды к наблюдателю или от него на основании эффекта Допплера. При движении звезды к наблюдателю или от него длина волны радиоизлучения будет колебаться в большую или меньшую сторону – именно это докажет, что существует искажение траектории, вызванное невидимой планетой.

Есть и «метод транзита»: наблюдение за яркостью звезды и вычисление изменения яркости ее свечения – если такое событие происходит регулярно, то можно сказать, что между звездой и наблюдателем проходит планета, заслоняющая звезду от телескопа. Учитывая, что событие это может быть очень редким (до одного раза в несколько десятилетий), а снижение яркости свечения может быть вызвано пятнами, каждый случай требуется проверять и перепроверять многочисленными тщательными наблюдениями. Специально для таких наблюдений Европейское космическое агентство запустило спутник COROT, который в 2006–2013 годах методом транзитных наблюдений открыл значительное количество экзопланет. Эту работу продолжили в 2009–2018 годах спутник «Кеплер», а с 2018 года и по сей день – орбитальный телескоп TESS, принадлежащий NASA.

Используя пять методов обнаружения планет, ученые всего мира открыли уже 3224 планетные системы; из них в 714 системах планет больше чем одна, а всего планет открыто 4363. В ближайшие годы это число может вырасти еще на пять тысяч планет – ученые уже «нащупали» их, но требуется перепроверить информацию.

Там все не так, как здесь

Говоря об уже известных астрономам свойствах уже обнаруженных планет, Сергей Язев отметил: многие из них имеют массу значительно больше, чем Юпитер, – самая массивная из планет нашей системы. Уже известны гиганты, превосходящие Юпитер в 4, 8 и даже 15 раз, – современными методами как раз такие планеты найти проще, чем планеты размером с Землю или Меркурий. Еще более удивил ученых тот факт, что некоторые из планет-гигантов расположены к своему светилу ближе, чем Меркурий к Солнцу, и делают полный оборот не за 88 суток, как Меркурий, а за два-три дня. Поэтому они имеют очень высокую температуру (1000–1500 градусов), и для их обозначения был введен новый термин – «горячие юпитеры».

Чем больше планет открыто, тем интереснее ряды наблюдений за ними. Выяснилось, например, что чем массивнее планета, тем выше температура ее поверхности. Почти круговые орбиты планет Солнечной системы – не слишком распространенное явление: некоторые планеты передвигаются по очень вытянутым эллипсам, а это значит, что на их поверхности то царит космический холод, то они нагреваются по мере приближения к звезде. Мы знаем о таких орбитах комет, но не планет.

Между Землей и Нептуном, который в 17 раз больше по массе, в Солнечной системе нет «промежуточных» по размерам планет. В космосе нашелся новый тип планет, который назвали «суперземли»: они тоже твердые, с металлическим ядром, но в два и более раз превосходят Землю по размерам. С другой стороны, нашлись газовые планеты, которые во много раз уступают Нептуну, их называют «мини-нептуны». Сравнивая массу и диаметр открытых планет с Землей, ученые установили, что при одинаковой массе планеты могут иметь больший диаметр – это означает, что у таких планет плотность вещества намного меньше. Если брать планеты с массой, равной пяти массам Земли, то по размерам и вычисленной плотности можно найти планеты «железные», «силикатные», «водные» и многие другие типы.

То же самое можно сказать и о взаимном расположении планет внутри системы: ученые обнаружили то, чего никто не предполагал. В системе Кеплер-90, например, известны восемь планет, из которых шесть небольших расположены ближе к светилу, а два гиганта – на дальней периферии. Ученых интересует и расположение планет в «зоне обитаемости», то есть на таком расстоянии от звезды, чтобы было не слишком холодно, как на Нептуне, и не слишком жарко, как на Меркурии. В Солнечной системе в эту зону входит Земля и с очень большими оговорками Венера и Марс; в других планетных системах в этой зоне найдено уже множество планет.

– Поэтому есть надежда, что на таких планетах могут быть условия для жизни, – отметил Сергей Язев. – В системе TRAPPIST-1, где звезда – красный карлик, планеты находятся ближе к звезде и друг к другу и именно в зоне обитаемости.

Подводя некоторые итоги и обобщая все, что удивляет ученых в обнаруженных экзопланетах, Сергей Язев перечислил следующие пункты: широкий диапазон масс и размеров; массивные планеты на эллиптических орбитах; гигантские планеты на низких орбитах (то есть очень близко к звездам); обнаружено мало систем, где есть несколько гигантов. И в итоге – очень мало систем, похожих на Солнечную.

Обратный взгляд на себя

Это привело к тому, что в отличие от конца ХХ века, когда ученые полагали, что все понимают в строении и процессе формирования Солнечной системы, современные ученые склонны считать, что знают очень мало. Рассматривая нашу систему в свете новых знаний, ученые пересмотрели начальные представления об однородном составе газопылевого облака, из которого впоследствии образовались планеты. Появилась идея о «ледяной линии», по одну сторону от которой (ближе к звезде) вода находилась в виде молекул, а по другую – уже в виде льда. Пересмотру подверглась и оценка количества воды в протопланетном облаке: теперь считается, что ее было очень много. Эта теория объясняет формирование газовых гигантов: лед позволяет протопланетам быстрее набирать массу, а с того момента, когда масса превышает 20 масс Земли, протопланета притягивает уже не только лед, но и молекулы газа, и гиганты получают газовую оболочку.

Астрономы пришли к выводу о том, что более крупные скопления планетезималей росли быстрее, чем мелкие, и сформулировали принцип «олигархического роста», который в самом простом изложении звучит так: «Кто богаче, тот быстрее богатеет». Исходя из этой гипотезы, ученые предположили, что в какой-то момент произошла «атака Юпитера» – гигант двинулся в сторону Солнца и дошел до той орбиты, где сейчас находится Марс. Этот процесс погубил несколько зарождавшихся «суперземель» – они были разрушены, а их осколки частью упали в Солнце, а частично улетели в облако Оорта. Юпитер не упал в Солнце из-за притяжения Сатурна и вернулся на более высокую орбиту – этот процесс получил название «смена галса». Миграция планет внутри системы сопровождалась и другими интересными событиями: Сатурн поначалу двигался вслед за Юпитером, а потом ушел на современную орбиту и обзавелся кольцом. Уран и Нептун, судя по всему, поменялись местами, а еще один ледяной гигант, находившийся на периферии системы, и вовсе был выброшен за ее пределы.

– Новая космогония говорит о том, что «ледяная линия» – это ключевой элемент в формировании Солнечной системы, и именно она объясняет, почему газовые гиганты так сильно отличаются от других планет, – рассказал Сергей Язев. – Численное моделирование процессов говорит о том, что атака Юпитера обязательно должна была быть и что именно Сатурн вытянул его вверх, и что поздняя бомбардировка – это следствие движения Урана и Нептуна, которые разметали на дальних орбитах планетезимали, и они разлетались в разные стороны, попадая в молодые планеты. Завершилось все переходом гигантов на круговые орбиты и формированием планет земного типа из остатков вещества, сохранившегося рядом с Солнцем.

Почему же Солнечная система так сильно отличается от многих других? Ученые считают, что нам повезло: масса газопылевого облака, из которого она формировалась, оказалась аномально большой, и это позволило сформироваться нескольким газовым гигантам. Они не только удержали друг друга на высоких орбитах, но и очистили Солнечную систему от многочисленных протопланет – в Главном поясе астероидов осталось около одного процента от того, что когда-то было в Солнечной системе.

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести».

На фото: Солнечная система – лишь одна из
многих тысяч планетных систем. Фото top10a.ru;

Выдуманные фантастами летающие тарелки –
наверняка символ цивилизаций, более развитых,
чем земная. Фото astronomy.ru