Представление о множественности миров возродилось только после того, как Коперник "лишил" Землю центрального положения и "поместил" ее на околосолнечную орбиту вместе с другими планетами. Вскоре после этого ряду мыслителей пришла в голову идея, что звезды могут являться далекими от нас солнцами и, следовательно, могут иметь около себя собственные планеты.
Однако в течение веков обнаружение таких планет казалось нереальным — светясь лишь отраженным светом, они должны были быть в миллиард раз (на 22-25 звездных величин) более тусклыми, чем их центральная звезда! Если даже "чужие" планеты и существуют, их свечение должно полностью утонуть в ярком свете звезды, вокруг которой они обращаются.
Для доказательства правоты Эпикура человечеству потребовалось более двух тысяч лет. Осуществить это эпохальное открытие ученые смогли благодаря разработанному в начале 90-х годов нашего столетия методу сверхточных спектроскопических наблюдений: не видя самих планет, астрономы могут обнаруживать их по гравитационному влиянию на центральную звезду, проявляющемуся в периодических колебаниях линий в ее спектре. Суть этого метода подробно описана в статье Л. В. Ксан-фомалити "Открытие первых экзопланет", поэтому, дабы избежать повторений, мы сразу же перейдем к предварительному анализу особенностей быстро растущей семьи планет у других звезд.
Оказалось, что орбиты некоторых планет представляют собой довольно сильно вытянутые эллипсы. Так, например, эксцентриситеты орбит планет у звезд 16 Лебедя В, Глизе 3021 и HD 210277 составляют 0.57, 0.51 и 0.45 соответственно. Для сравнения, в нашей системе наибольшие эксцентриситеты у Меркурия и Плутона (около 0.2), а у всех остальных планет орбиты почти круговые с эксцентриситетом менее 0.1. Устройство Солнечной системы всегда склоняло теоретиков к утверждению, что физические процессы везде идут одинаково, и что круговые орбиты планет "предсказывают" нам существование многих подобий нашего мира. Вот как, оказывается, опасно полагаться на "ответ в конце задачника"!
Еще более удивительным оказался тот факт, что некоторые из открытых внесолнечных планет расположены чересчур близко от своих звезд — значительно ближе, чем Меркурий от Солнца! Перед началом поисков экзопланет никто не ожидал найти их на столь тесных орбитах — в нашей Солнечной системе ничего подобного не наблюдается...
Почему они не круговые?
Сразу же после открытия планет с вытянутыми орбитами теоретики поспешили к классным доскам и вскоре предложили новые теории, описывающие ход образования планет. Так Павел Артымович из Стокгольмского университета и Пэт Кассен из Исследовательского центра им. Эймса NASA заново проанализировали процессы рождения планет в протопланетных дисках. Их вычисления показали, что протопланеты своим тяготением воздействуют на диск, создавая в нем спиральные волны плотности, напоминающие "рукава", видимые в спиральных галактиках. Эти спиральные волны, в свою очередь, обращают свои небольшие силы тяготения обратно к планете, "сталкивая" ее с круговой орбиты. Накапливаясь в течение миллиона лет, подобное воздействие может достигать значительных величин, порождая весьма вытянутые орбиты.
Однако не менее убедительно звучит и другая гипотеза, объясняющая столь высокую эксцентричность орбит. Представим себе на минуту, что масса "нашего" Сатурна возросла в большей степени, чем это произошло в действительности, когда вся Солнечная система еще только формировалась вокруг новорожденного светила. В конце концов, что помешало Сатурну "дорасти" до массы Юпитера?
Действительно, все четыре планеты-гиганта в нашей системе могли бы стать еще более крупными, если бы протопланетный диск содержал в себе больше материи. В подобном случае Солнечная система "стартовала бы с четырьмя "тяжеловесами", каждый из которых оказывал бы более сильное гравитационное воздействие на другие, чем это имеет место ныне. Они бы взаимно искажали орбиты друг друга до тех пор, пока те бы не перекрестились. Возникающий при этом эффект пращи приведет к непредсказуемым движениям планет, которые разлетятся, подобно бильярдным шарам из пирамиды. Но есть одно отличие: планетарный "бильярдный стол" — не плоскость; у него в центре есть "углубление", порожденное тяготением центральной звезды. Рассеянные в разных направлениях "Юпитеры" будут некоторое время "слоняться" вокруг этого "углубления" по хаотическим орбитам, сталкиваясь, сливаясь воедино, падая на свою звезду или совсем вылетая за пределы системы. Когда положение стабилизируется, "в остатке" окажется совсем немного планет, обращающихся по вытянутым орбитам, удаленным друг от друга настолько, что они не будут оказывать друг на друга существенного влияния.
Почему так близко?
Наиболее странными членами недавно открытого планетного семейства, безусловно, являются "горячие юпитеры", которые обращаются по круговым орбитам, едва не "царапающим" поверхности центральных звезд. Каким образом эти гигантские планеты смогли оказаться столь близко к своим светилам? Ведь этим они решительно возражают классическим теориям образования планетных систем, предписывающим возникновение планет-гигантов, как минимум, в нескольких астрономических единицах от молодой звезды. Именно там, в холодной внешней области протопланетного диска мелкие ледяные кристаллы замерзшей воды и метана могут сохраняться и, сталкиваясь друг с другом, расти, образуя "зародыш" огромной планеты, который потом станет ее ядром. Если подобный сценарий верен, то возникает вопрос, каким образом планеты-гиганты подбираются так близко к звезде?
Пожалуй, наиболее приемлемой является гипотеза, выдвинутая Дугласом Лином, Питером Боден-хаймером и Дереком Ригардгоном (Калифорнийский и Вашингтонский университеты). Согласно их концепции, любая протопланета просто обязана с течением времени мигрировать в сторону центра системы по двум причинам. Во-первых, сама материя, образующая протопланетный диск, падает на поверхность молодой звезды, теряя вследствие трения свою механическую энергию. Общий поток влечет за собой и протопланету. Во-вторых, протопланеты вступают в резонансное отношение со спиральными волнами плотности, которые они же возбудили в диске, теряя угловой момент и "падая" внутрь, даже если бы диск сам не смещался к центру.
И все же, гипотеза миграции планет во внутреннюю область вызывает бездну споров. Все открытые на сегодняшний день "горячие юпитеры", по-видимому, уже приостановили свое "падение" и "припарковалась" на орбитах у самой границы своего возможного разрушения. Что их затормозило? И почему тогда Юпитер и другие планеты-гиганты нашей Солнечной системы избежали подобной миграции к светилу? Наконец, почему другие планеты-гиганты не находятся столь близко к своим звездам?
Интересно отметить, что еще до открытия первого "горячего юпитера" Дуглас Лин предсказал, что наш "родной" Юпитер также должен был пережить подобное перемещение. Астроном пришел к выводу, что наши древние "юпитеры" сперва сформировались в 5 а.е. от центра системы, а затем нашли свой конец на Солнце. Ныне реально существующий Юпитер и остальные знакомые нам планеты нашей системы просто были последними "в очереди" и остались на своих местах, т.к. вещество протопланетного диска уже истощилось.
Некоторые свидетельства подобной катастрофической миграции приоткрываются ныне. Прото-планетные диски вокруг молодых солнцеподобных звезд, вероятно, образуют в своем центре "дыру", диаметром раз в 10 превышающую поперечник самой звезды. Эта "дыра" расчищается благодаря вращению магнитного поля звезды, которое влечет за собой скопления раскаленных газов, или выталкивая их вовне, или заставляя стекать по магнитно-силовым линиям "вниз" — на поверхность звезды. О существовании подобных "дырок от бублика" можно судить по заметному отсутствиюу ряда молодых звезд излучения в близкой инфракрасной части диапазона.
"Дыра" представляет собой безопасное убежище для "парковки" планеты, движущейся к центру системы. Прибыв сюда из области внутреннего края диска, она уже более не будет влекома далее в сторону своего светила. Той или иной планете может "повезти", и она останется "припаркованной" в пределах "дыры" в течение всей жизни диска.
Почему же в нашей системе нет столь близких к Солнцу гигантских планет? Не исключено, что Юпитер и другие планеты-гиганты сформировались довольно поздно, когда вещество в нашем протопланетном диске уже почти полностью исчерпалось. Возможно также, что в нашем диске никогда и не содержалось достаточное количество газов и пыли, которые создали бы необходимое для процесса миграции трение, так что планеты "застряли" на месте своего образования. Известно ведь, что массы протопланетных дисков весьма разнообразны: от нескольких единиц до сотен масс Юпитера. Так что разнообразие открытых ныне планет вполне может представлять собой следствие различия масс и сроков жизни протопланетных дисков, а, возможно, и их химического состава.
Солнечная система - ошибка природы?
С открытием "внесолнечных" планет у астрономов появилась счастливая возможность провести некоторое сопоставление их характеристик с характеристиками планет, которые мы считаем "своими". Однако пока что к подобному сопоставлению надо относиться с осторожностью. Так, например, период обращения всех открытых экзопланет не превышает 3-х земных лет. Очевидно, что подобный результат не отражает характеристику планетных систем вообще; скорее, это следствие краткости периода нашей "охоты" за ними. Пройдет некоторое время, усовершенствуется точность старых методов поиска, появятся новые методы, и будут открыты планеты, находящиеся на более протяженных, проходящих дальше от центральной звезды орбитах.
Однако и та горстка планет, что уже стала известна, шлет нам свое предостережение: вполне возможно, что наша Солнечная система вовсе не является "нормой". Покрытое кратерами "лицо" Луны и других тел Солнечной системы, сильный наклон оси вращения Урана к плоскости его орбиты, многие другие явления говорят о том, что в начальный период существования нашей системы они пережили множество яростных ударов. Согласно оценкам, в течение первых 100 млн. лет в небе над Землей появлялось по одной новой яркой комете еженедельно!
Аккуратные, "чистенькие" и правильные, легко прослеживаемые нынешние орбиты современной Солнечной системы, достигшей "среднего возраста", — это все, что осталось после периода ее бурной молодости. Возможно, что в течение первых 500 млн. лет здесь было 10 или 11 планет. Это еще большое везение, что такие небольшие планеты, как Земля, вообще не были вышвырнуты гигантами на сильно вытянутые орбиты, подобные планете у звезды 16 Лебедя В.
Для того чтобы, в конце концов, получилась аккуратная круглая орбита, может быть, необходимы определенные начальные условия. Почти идеально круглая орбита крупнейшей нашей планеты — Юпитера — способствует тому, чтобы были стабильными орбиты остальных 8 планет, это подтверждается математическим моделированием. Если бы у Юпитера орбита была бы эксцентрической, то Земля и Марс, вероятнее всего, уже давным-давно были бы вышвырнуты за пределы Солнечной системы. Не существовало бы в подходящей для обитания зоне планет "земного типа", некому было бы читать этот журнал. Так что существованием разумной жизни мы обязаны в том числе и тому, что Юпитер и Земля находятся на взаимно стабильных круговых орбитах. Мы пока не знаем, является ли близкая нашему сердцу Солнечная система неким отклонением от нормы, или же она — одна из заурядных действующих лиц в космическом сценарии мира, и подобные ей системы распространены повсеместно.
Итак, открытие первых планет у других звезд, вместе с доказательством множественности планетных систем, предложило исследователям решить ряд новых головоломок. Какая доля звезд обладает собственными планетами? Существуют ли планетные системы, сходные с нашей? Обычно ли местонахождение небольших, землеподобных планет в зоне возможного обитания, где температуры позволяют жизни возникнуть? Ответов на эти вопросы у нас пока нет, но можно быть уверенным в том, что они будут найдены уже в ближайшие годы.
