Их зовут по разному: планеты-сироты, планеты-странники, квазипланеты или планетары. Астрономы до сих пор не пришли к единому мнению о том, как же их классифицировать. Некоторые, например, предлагают и вовсе называть субкоричневыми карликами, превращая их в родственников звезд с комфортной температурой на поверхности.
Планеты для нас – газовые гиганты или твердые миры, вращающиеся на орбите родительской звезды. И покуда уходят звезды, Млечный Путь усеян сотнями миллиардов таких планет, включая и нашу собственную, единственную и пока неповторимую Землю. И у каждой планеты, в принципе, собственная и тоже уникальная история рождения и жизни. Некоторые из них массивные и яркие, другие маленькие и тусклые; некоторые родились пару миллионов лет назад, другие могут потягаться возрастом с самой Вселенной. Но есть одна общая черта, которой мы наделяем все эти планеты: солнечная система. Как показала миссия Кеплера и прочие поиски экзопланет, если хочешь найти планеты – просто ткни пальцем в звезду и огляди ее: вокруг нее ты найдешь на одну, а целую систему планет.
И все же – в дополнение к звездам и всем телам, которые вокруг них вращаются, – должно быть великое множество планет, не привязанных к центральной звезде вообще: планет-изгоев. Ученые считают, что это справедливо для любого места Вселенной, от небольших звездных скоплений и межзвездного пространства до ядер гигантских галактик. Насколько нам известно, в космосе беззвездных планет не меньше, чем самих звезд – а может, и больше. Из этого следует, что на каждую точку света, который вы видите, есть намного больше массивных точек, которые вы не видите, потому что они не испускают видимого света.
Благодаря наблюдениям, мы обнаружили целый ряд возможных кандидатов в блуждающие планеты. «Кандидат» – это важное слово; мы не можем быть уверены, что эти планеты истинны, поскольку у нас нет хорошей техники подтверждения данного факта. Даже с нашим лучшим современным оборудованием их так сложно обнаружить, что мы должны подразумевать наличие гораздо большего числа миров, чем мы уже нашли. Но мы кое-что уже нашли и можем делать выводы. Откуда же берутся эти планеты-странники? Один из убедительных источников всех этих планет находится рядом с нами, и мы им очень дорожим.
Мы знаем, как образуются солнечные системы: после того как гравитационный коллапс создает регион космоса, в котором зажигается синтез, вокруг центральной звезды собирается протопланетарный диск. Гравитационные пертурбации регулярно появляются в этом диске, привлекая больше и больше вещества из своего окружения, в то время как тепло новообразованной центральной звезды медленно выдувает самый легкий газ в межзвездную среду. Со временем гравитационные возмущения перерастают в астероиды, твердые планеты и газовые гиганты.
Но дело в том, что эти миры не только вращаются вокруг своей звезды, но и гравитационно стягивают друг друга. Со временем эти планеты мигрируют в наиболее стабильные конфигурации, которых могут достичь: самые массивные миры занимают свои самые стабильные места, часто жертвуя другими мирами поменьше. Что происходит с «проигравшими» в космической битве за планетарное преимущество? Они поглощаются в процессе слияния, падают на Солнце или выбрасываются из солнечной системы в межзвездное пространство.
Недавнее моделирование показало, что на каждую богатую планетами солнечной системы, вроде нашей собственной (с газовыми гигантами), будет выброшен как минимум один газовый гигант – в межзвездную среду, где будет обречен блуждать по галактике странствующей планетой-изгоем. При этом число твердых миров поменьше, выброшенных из системы, может достигать 5-10. Это, в принципе, и есть крупнейший источник планет-изгоев, и в нашей собственной галактике наверняка имеются сотни миллиардов таких.
Особо забавно то, что когда ученые проводят теоретические расчеты, выброшенных планет из юных солнечных систем оказывается в два раза меньше, чем ожидаемое число блуждающих планет. Откуда же тогда они берутся? Чтобы понять, откуда берется большинство беззвездных планет, нам нужно взглянуть пошире на одно время: не только когда образовалась наша Солнечная система, но и на скопление звезд (и звездных систем), которые образовались в одно время.
Звездные скопления образуются в процессе медленного коллапса холодного газа, по большей части водорода, и, как правило, берут начало в уже существующей галактике. Глубоко в коллапсирующих облаках образуются гравитационные нестабильности и первые, самые массивные нестабильности, притягивают все больше и больше материи. Когда достаточно материи собирается в небольшой области пространства и плотность с температурой в ядре становятся достаточно высокими, начинается ядерный синтез и образуются звезды.
Но рождается не одна звезда и звездная система, а множество их, поскольку каждое облако, которое коллапсирует с образованием новой звезды, содержит достаточно вещества, чтобы образовать много звезд. Вместе с этим происходит кое-что. Крупнейшая образованная звезда также самая горячая и самая голубая, то есть излучает самое ионизирующее, ультрафиолетовое излучение. И эта звезда начинает одну из самых активных гонок, чтобы занять свое место в космосе.
Если заглянуть в звездообразующую туманность, можно увидеть два процесса, протекающих одновременное:
• Гравитация пытается стянуть материю в направлении этой юной, растущей гравитационной сверхплотности.
• Излучение выжигает нейтральный газ и выталкивает его обратно в межзвездную среду.
Кто победит? Ответ зависит от того, что считать победой. Самые большие гравитационные сверхплотности образуют самые большие, горячие и голубые звезды – но такие звезды чрезвычайно редкие. Сверхплотности поменьше (все еще большие) образуют другие звезды, но по мере уменьшения массы их становится все больше и больше. Именно поэтому, когда мы заглядываем глубоко в скопление юных звезд, легко увидеть самые яркие (голубые или другие) звезды, но их значительно превышают в числе желтые (и красные) звезды с массой поменьше.
Если бы не радиация, которую излучают юные звезды, эти тусклые, красные и желтые звезды продолжали бы расти, становились бы массивнее и ярче, разгорались бы сильнее. Звезды (в главной последовательности) бывают разных типов, от O-звезд (самые горячие, большие и голубые) до M-звезд (самые маленькие, холодные, красные и маломассивные). И хотя большинство звезд – ¾ – приходится на звезды M-класса, и меньше 1% всех звезд приходится на звезды O- или B-типа, общая масса двух последних типов звезд сопоставима с общей массой звезд M-типа. Нужно около 250 звезд M-класса, чтобы сравниться по массе с O-звездой.
Как оказалось, порядка 90% оригинального газа и пыли, которые были в этой звездообразующей туманности, выдувается в межзвездную среду и не идет в образование звезд. Самые массивные звезды образуются быстрее и начинают выдувать материал из туманности. Всего за пару миллионов лет материала остается все меньше, и новые звезды прекращают формироваться. Оставшийся газ с пылью полностью выгорают.
И теперь самое интересное. Не только звезды M-класса – с массой между 8% и 40% солнечной – представляют собой самый распространенный во Вселенной тип звезд. Есть много больше того, что могло быть звездами M-класса, если бы звезды с большой массой не выжгли лишний материал. Другими словами, на каждую образовавшуюся звезду есть намного больше неудавшихся звезд, которые просто не набрали критическую массу: и таких звезд может быть от десятков до сотен тысяч на каждую образовавшуюся звезду.
Только представьте: наша собственная Солнечная система содержит сотни или даже тысячи объектов, которые потенциально удовлетворяют геофизическому определению планеты, но были астрономически исключены лишь в силу своей орбитальной позиции. А теперь представьте, что на каждую звезду вроде нашего Солнца приходятся сотни неудавшихся звезд, которые просто не набрали достаточно массы, чтобы запустить синтез в ядре. Это и есть бездомные планеты – или блуждающие планеты – которых намного больше, чем планет вроде нашей, вращающихся вокруг звезд. Планеты-сироты могут быть с атмосферой или без, и обнаружить их чрезвычайно трудно, особенно самые мелкие. Но вдумайтесь: на каждую планету вроде нашей в галактике может быть до 100000 планет, которые не только не вращаются вокруг звезды сейчас, но и никогда не вращались. Найти их весьма сложно.
Так что, хоть у нас может быть несколько планет, выброшенных из юных солнечных систем, и даже горстка таких миров в галактике родом из Солнечной системы, подавляющее большинство всех планет в галактике никогда не держались за звезды. Планеты-изгои бороздят галактику, обреченные на вечное блуждание в темноте, и никогда не узнают тепла родительской звезды. Их потенциальные родители, возможно, даже и звездами никогда не стали. В галактике может быть квадриллион таких странствующих миров, которые мы еще даже открывать толком не начали.
Ученые называют их свободно плавающими планетами – это массивные небесные странники, которые освободились от оков первоначальной солнечной системы. Или, возможно, нет. Последнее исследование показывает, что эти планеты-изгои, вполне вероятно, сформировались самостоятельно – и таких миллиарды.
На самом деле, ученые узнали о существовании свободно плавающих планет не так давно – эти планеты не вращаются на орбитах звезд. Недавно астрономы обнаружили CFBDSIRJ2149, ближайшую свободно плавающую планету из известных нам. Она находится на расстоянии 100 световых лет и обладает массой от 4 до 7 юпитерианских. Свободная планета достаточно забавна: в видимом свете она отдает тусклым темно-красным цветом. И она просто бесцельно плывет сквозь космос.
До сегодняшнего дня ученые предполагали, что эти планеты, которых, кстати, известно не так много, образовались в существующих планетарных системах. Просто случайно потеряли свой путь и отошли от родительской звезды (из-за массивного гравитационного события, например). Или потому, что материнская звезда просто погибла. Хотя мы, вроде, уже убедились в существовании миров и поблизости от почивших звезд.
Последние наблюдения за крошечными темными облаками под названием «глобулетты» показали, что свободно плавающие планеты способны рождаться самостоятельно. Вполне вероятно, скоро возникнет второй известный способ формирования планет, помимо теории аккреционного диска.
Об открытии сообщила группа астрономов из Швеции и Финляндии, наблюдающая за глобулеттами в туманности Розетка – массивном облаке пыли и газа в 4600 световых годах от нас. Эта туманность является домом для сотни «крошечных» (по космическим меркам) облаков, которые в диаметре не больше расстояние от Солнца до Нептуна. Глобулетты невероятно плотные — чуть менее плотные, чем 13 масс Юпитера. Очевидно, эти вкрапления газа и пыли способны родить планету.
Измерения показали, что глобулетты, содержащие плотные ядра, теоретически способны коллапсировать под собственным весом. В результате, рождается сами понимаете что. Некоторые из этих облаков можно характеризовать как коричневые карлики – крупные небесных объекты, которые просто нечем поджечь, чтобы превратить в солнце. Кроме того, учитывая скорость перемещения глобулетт в туманности – около 80000 км/час, некоторые блуждающие планеты должны разбиваться.
«Мы думаем, эти маленькие круглые облачка образовались из высоких пыльных столбов газа, которые были образованы мощной радиацией юных звезд», – объясняет один из астрономов из Хельсинкского университета. – «Они разлетелись из центра туманности под давлением горячих звезд в ее центре».
Учитывая то, что в галактике могут быть миллионы туманностей, этот процесс может быть ответственным за миллионы, если не миллиарды, блуждающих планет. Астрономы считают, что в данный момент около 200 миллиардов никому не нужных планет проплывает по Млечному Пути.
Учёные впервые подсчитали примерное число крупных планет-сирот, не имеющих собственной звезды. Оказалось, что их примерно в десять раз меньше, чем считалось ранее. Напомним, планеты-сироты (они же планеты-странники или межзвёздные планеты) – это объекты, имеющие массу, сопоставимую с планетарной, и являющиеся по сути планетами, но не привязанные гравитационно ни к какой звезде, коричневому карлику и даже просто другой планете.
«Мы обнаружили, что «планеты-сироты» массой с Юпитер встречаются как минимум в десять раз реже, чем мы считали раньше. С другой стороны, это открытие не стало неожиданностью – оно хорошо согласуется с данными наблюдений за потенциальными планетами в «звёздных яслях» и соответствует теоретическим предсказаниям о частоте появления «изгоев» крупных размеров», – рассказывает ведущий автор работы Пшемислав Мроз (Przemyslaw Mroz) из университета Варшавы.
За последние десять лет астрономы открыли сразу несколько крайне тусклых и холодных небесных тел, которые назвали планетами-сиротами. Их природа остается предметом споров среди планетологов. В частности, некоторые исследователи считают этих «изгоев» двойниками Юпитера, выброшенными за пределы родивших их систем в результате гравитационных взаимодействий между рождающимися небесными телами. Другие астрономы полагают, ссылаясь на их размеры и температуру, что на самом деле это неродившиеся звёзды, коричневые карлики, чья масса слишком мала для начала термоядерных реакций в их недрах.
Мроз и его коллеги провели первую в истории науки перепись подобных объектов на основе данных, собранных польскими астрономами в рамках проекта OGLE при наблюдениях за тем, как гравитация различных обитателей Солнечной системы, в том числе и «бездомных» планет, искривляет свет далеких звёзд на пути к Земле.
То, как долго и сильно объект искажает свет, напрямую зависит от его массы и размеров. Это позволяет учёным довольно точно вычислять значения обоих параметров, наблюдая за формированием так называемой «линзы Эйнштейна» – кольца света, возникающего в результате гравитационного искривления лучей звёзд.
В общей сложности польские исследователи и их коллеги проследили за примерно 2600 искривлениями света звёзд, порождёнными другими светилами, коричневыми карликами и планетами. Этого числа событий оказалось достаточно для того, чтобы понять, как часто встречаются объекты-«изгои» и каковы их типичные размеры.
Всего астрономам удалось найти шесть событий, предположительно порождённых планетами-сиротами, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy. Причём ни одна из них не обладала большими размерами – все были похожи на Землю или её крупные каменистые аналоги у других звёзд. Всё это указывает на то, что в Галактике встречаются не сотни миллиардов крупных планет-странников, а гораздо меньше – на каждые четыре звезды Млечного Пути, по расчётам Мроза и его коллег, приходится всего одна, а не десять подобных планет.
Такие результаты переписи, как считают учёные, говорят о том, что крупные планеты «катапультируются» из новорождённых звёздных систем гораздо реже, чем относительно небольшие небесные тела. Так это или нет, пока довольно сложно проверить, поскольку для наблюдений за «изгоями» нужны мощные космические инфракрасные телескопы наподобие американской орбитальной обсерватории WFIRST и её европейского «собрата» Euclid, вывод которых на орбиту произойдет не раньше 2020-х годов.
Поиски девятой планеты Солнечной системы (за исключением карликовой планеты Плутон) пока не завершились успехом. Однако американские учёные из Университета Нью-Мексико выступили с правдоподобной теорией, объясняющей её появление в нашей планетной системе. Они предполагают, что теоретически существующий объект может оказаться планетой, образованной «вовне», которая, однако, «зацепилась» на удалённой орбите у Солнца.
Стоит отметить, что саму девятую планету никто никогда не видел. В начале 2016 года астрофизики Майк Браун и Константин Батыгин из Калифорнийского технологического института заявили о том, что нашли её благодаря анализу обнаруженных во внешней части Солнечной системы возмущений. Расположение космических тел в так называемом поясе Койпера – области за Нептуном – позволило предположить воздействие на них крупной планеты, прошедшей мимо скопления относительно небольших объектов. Масса гипотетической планеты в десять раз превышает массу Земли.
Согласно версии, выдвинутой Брауном и Батыгиным, планета могла образоваться в Солнечной системе, а затем её вытолкнуло на более далекую орбиту под действием силы притяжения Юпитера или Сатурна. Они же рассчитали, что, перемещаясь вокруг Солнца, девятая планета максимально отходит от него в 1000 с лишним раз дальше, чем Земля. И даже в наиболее близкой точке орбиты расстояние между таинственной планетой и Солнцем как минимум в 200 раз больше среднего расстояния от Земли до Солнца. А один оборот вокруг звезды она совершает в течение 10-20 тысяч лет.
На основе этих данных Джеймс Веспер и Пол Мэйсон из Университета штата Нью-Мексико выстроили 156 компьютерных моделей поведения крупного небесного тела. В 40% случаев планета, как и предположили её первооткрыватели, закреплялась далеко за пределами орбиты Плутона и начинала обращаться вокруг Солнца. В 60% – проходила через Солнечную систему и продолжала своё движение сквозь космос.
Считается, что «планеты-сироты», или, как их ещё называют, «планеты-странники», образуются за пределами планетных систем. Среди них есть сформировавшиеся в других звёздных системах, которые они затем покинули, например, под воздействием силы притяжения других планет. Время от времени, вырываясь в открытый космос, «сироты» даже могут захватывать с собой «компаньона» – небольшие планеты, которые они утягивают своей гравитацией.
Открытие «космических сирот» было предсказано в начале 1990-х годов. Находить их начали уже в XXI веке. Количество планет, блуждающих во Вселенной, поражает воображение: предполагается, что их число может достигать 400 миллиардов. Трудность их обнаружения объясняется недостатком методов исследования. Так, если экзопланеты в основном находят по периодическим колебаниям и затемнениям звёзд, вокруг которых они вращаются, то с планетами-странниками всё несколько сложнее. Пока учёные могут обнаружить только тех «странниц», которые по своим раз мерам не уступают самым крупным в Солнечной системе Юпитеру или Сатурну.
Представленный на встрече Американского астрономического общества доклад Веспера и Мэйсона ещё не успел пройти экспертную оценку. Однако, по словам Константина Батыгина, версия его коллег из Университета Нью-Мексико вполне правдоподобна. «Не зная точной орбиты, сложно однозначно подтверждать или отвергать эту версию, однако возможность того, что девятая планета – действительно объект, захваченный Солнечной системой, определённо есть», – отметил Батыгин в интервью Gizmodo. С похожим заявлением летом 2016 года выступали и другие учёные.
Физики из Лундского университета в Швеции подсчитали, что 4,5 миллиардов лет назад Солнце со своими планетами могло сблизиться с другой планетной системой. В результате наша звезда, вероятно, «украла» одну из планет. На проведение расчётов их сподвигло необычное расположение гипотетической девятой планеты. Казалось невероятным, что она сформировалась на таком расстоянии от нашей звезды и продолжила обращаться вокруг неё.
Стоит отметить, что ряд учёных скептически относятся к самой гипотезе о наличии в Солнечной системе ещё одной планеты, однако Батыгин уверен в её существовании. «Число, казалось бы, не связанных между собой загадок в жизни Солнечной системы, которые решаются за счёт предположения о девятой планете, слишком велико, чтобы это оказалось простым совпадением», – настаивает он. Сразу после совместного с Брауном открытия Батыгин прогнозировал, что работа по обнаружению девятой планеты с помощью телескопов может занять до восьми лет.
Открытие новой экзопланеты, которая не связана ни с одной звездой, пожалуй, уже мало кого удивляет. За последние несколько лет астрономы уже не раз открывали такие одинокие миры, их известно уже столько, что, по мнению ученых, одиноко скитающиеся по Вселенной планеты уже скорее правило, чем исключение.
Например, одно исследование 2011 года оценило, что количество планет-сирот в нашей галактике уже превосходит количество «нормальних» планет, которые вращаются вокруг своих родительских звезд, не менее, чем на 50 процентов. Если это так, то в галактике Млечный путь имеется около миллиарда одиноких планет.
Ученые полагают, что среди одиноких планет-скитальцев газовые гиганты могут быть в меньшинстве. «Сегодня мы знаем, что массивные одинокие планеты встречаются довольно редко и что среди них обычно попадаются планеты, масса которых равна массе Нептуна или Земли, – сказали астрономы. – Мы также знаем, что массивным объектам должно быть сложнее вырываться из звездных систем, чем более легким».
Невероятно, что одинокие планеты находятся сравнительно близко от нас. Телескопы будущего позволят больше узнать об одиноких планетах, которые не будут скрыты из-за ближайших ярких звезд. Планета класса Юпитера, которая не связана ни с одной звездой, а свободно блуждает на просторах космоса, была обнаружена астрономами при помощи прямых наблюдений. Считается, что такой феномен – довольно частое явление, однако проследить за такими «планетами-сиротами» очень сложно.
Исследователи охотились за звездами, так называемыми коричневыми карликами, которых иногда также называют «звезды-неудачницы», так как этим объектам удается вырасти до размеров звезды из разрушающихся шаров газа и пыли, однако они так и не достигают той массы, которая требуется для того, чтобы в их ядрах начались термоядерные реакции. Однако когда ученые обнаружили объект, которому дали название CFBDSIR2149, расположенный на расстоянии 130 световых лет от Земли, они стали подозревать, что это вовсе не звезда.
Чтобы определить химический состав объекта, астрономы проанализировали инфракрасное излучение объекта 2149. С помощью этих данных можно было бы определить его массу и температуру, а затем и возраст. Они обнаружили, что объекту от 50 до 120 миллионов лет, его средняя температура составляет 400 градусов Цельсия, а масса равна 7 массам Юпитера. «Это планета похожа на Юпитер в первые миллионы лет его существования, – сказал астрофизик Этьен Артигау (Étienne Artigau) из Университета Монреаля. – Нельзя сказать, что для нас это было неожиданной находкой, но обнаружить подобный объект очень тяжело».
Первыми догадками астрономов, что они обнаружили что-то странное, было то, что объект 2149 имел компанию – очень молодые группы звезд. Они предположили, что объект сформировался вместе с этими звездами и быстро остыл, но это должно означать, что он очень маленький. Также вероятно, что объект может быть коричневой звездой карликом, хоть и довольно мелкой, которая находится рядом с двигающимся скоплением звезд AB Золотой Рыбы. Однако отдельный анализ показал, что объект 2149 с вероятностью 87-процентов двигается вместе со скоплением звезд. Это может означать, что он образовался далеко от родительской звезды, либо был вытолкнут гравитационными силами из первоначальной звездной системы.
После этого открытия последовали непрямые наблюдения за 10 свободно блуждающими планетами размером с Юпитер, которые находятся в центре Млечного Пути и которые были обнаружены с помощью метода обнаружения экзопланет под названием Гравитационное микролинзирование. Этот метод предполагает, что звезда или планета проходит перед другим, более удаленным объектом. Гравитационные силы из-за массы более близкого космического тела деформирует свет дальнего объекта, заставляя ближний объект увеличивать яркость на определенный период времени. Мелкие объекты, такие как планеты, вызывают меньшую деформацию света, чем более крупные, такие как звезды.
Планеты-сироты также можно заметить в районах, где формируются звезды в созвездии Орион. «Впервые мы нашли объект за пределами района образования звезд путем прямого наблюдения», – сказал Артигау. Астрономы продолжат исследование объекта 2149 в надежде разузнать больше деталей, относительно его положения и направления движения.
|
