Механизм вмешательства звезд в жизнь планетных систем других звезд независимо друг от друга описали советский ученый Михаил Лидов в 1961 г. и японский астроном Ёсихидэ Козаи в 1962 г. В то время о странных особенностях орбит экзопланет еще не было известно — Лидов занимался изучением орбит естественных и искусственных спутников, а Козаи интересовали астероиды.
Оба ученых занимались изучением систем с двумя движущимися по орбитам крупными небесными телами, вокруг одного из которых вращается спутник значительно меньшего размера. В исследовании Лидова это были Земля, Луна и космический зонд на орбите Земли. В работе Козаи крупными телами были Юпитер и Солнце, меньшим — астероид. Астрономы обнаружили, что орбита спутника (космического зонда или астероида) может быть возмущена вторым крупным телом (Луной или Юпитером). Точнее говоря, маленький спутник может уменьшить наклонение (высоту) над орбитой двух крупных тел в обмен на увеличение эксцентриситета своей орбиты. Это приводит к поочередной смене значений высоты и эксцентриситета орбиты спутника, при которой он переходит с орбиты с большим углом наклонения на сильно вытянутую эллиптическую орбиту и обратно (механизм Козаи — Лидова).
В случае WASP-17 b в роли двух крупных тел механизма Козаи — Лидова выступают звезда, вокруг которой обращается планета, и вторая звезда или даже более массивная планета. Являясь самым маленьким объектом системы, такой компаньон мог влиять на орбиту WASP-17 b.
Подобный сценарий допускает, что WASP-17 b сформировалась на аккуратной, почти круговой орбите за снеговой линией. Постепенно под воздействием гравитации второй звезды высота и эксцентриситет орбиты планеты начали меняться. В определенный момент высота достигла крайнего значения, в котором планета «опрокинулась», начав обращаться в обратную сторону — по ретроградной орбите.
С увеличением эллиптичности орбиты планета движется по новой изогнутой траектории, которая приводит ее ближе к звезде. Гравитационное притяжение звезды увеличивается на отрезке орбиты, когда планета находится вблизи звезды, и уменьшается по мере ее удаления. Периодические изменения воздействия гравитации звезды заставляют планету деформироваться подобно резиновому мячику. Возникает эффект приливного разогрева: вследствие перехода энергии деформации в тепло атмосфера WASP-17 b раздувается настолько, что становится больше атмосферы Юпитера. С переходом энергии орбитального движения планеты в тепло она начинает снижаться по спирали к звезде[8]. Это компенсирует действие механизма Козаи — Лидова, и в конечном итоге планета занимает близкую к звезде круговую орбиту, становясь горячим юпитером.
Механизм Козаи — Лидова дает нам второе объяснение процесса формирования горячего юпитера. Но что обычно вызывает миграцию планеты-гиганта — сопротивление газа, притяжение дальней звезды (или более крупной планеты) или планет-планетное рассеяние?
На самом деле все эти факторы могут иметь место. В случае с горячими юпитерами, движущимися по прямым орбитам, в отсутствие очевидного компаньона в виде звезды или массивной планеты вероятен сценарий миграции к центру в результате взаимодействия с газом. В отношении ретроградных планет и планет, обращающихся вокруг двойных звезд, может сработать механизма Козаи — Лидова. Остальные горячие юпитеры выталкиваются к центру в результате взаимодействия с другой планетой, которая либо притаилась где-то далеко, либо, выталкивая соседку к звезде, сама была выброшена за пределы планетной системы.
Эти три возможных сценария указывают на то, что, несмотря на необычность горячих юпитеров, существует несколько вариантов объяснения процесса их формирования.
Продолжающиеся поиски новых планет вокруг звезд за пределами Солнечной системы привели к обнаружению еще одного класса объектов, находящихся в непосредственной близи от своих звезд. Эти новые миры были меньше горячих юпитеров и не походили ни на одну из виденных нами ранее планет.
Глава 6. Мы — отклонение от нормы
Когда двадцать лет назад позиции теорий образования планет пошатнулись в результате открытия 51 Пегаса b, астрономы пришли к одному важному выводу: мы представляем собой отклонение от нормы.
К настоящему моменту вокруг звезд за пределами Солнечной системы обнаружено более 2000 планет. Наблюдения показали, что приблизительно 1% звезд соседствуют с горячим юпитером. Таким образом, несмотря на относительную многочисленность, эти необычно расположенные газовые гиганты все-таки достаточно редки. При этом, если взять обычные звезды, похожие на наше Солнце, окажется, что примерно вокруг половины из них обращаются планеты, аналогов которым в Солнечной системе просто нет.
Их назвали суперземлями. Они больше Земли, но меньше Нептуна — размер варьируется в диапазоне от 1,25 до 4 радиусов Земли. Большинство обнаруженных суперземель совершали полный оборот вокруг своей звезды менее чем за 100 дней. При этом многие из них двигались по орбитам, которые были ближе к звезде, чем даже орбиты горячих юпитеров. Чаще всего орбита горячей суперземли находилась на расстоянии 0,05 а.е., то есть составляла всего лишь 5% от расстояния между Солнцем и Землей и 13% от расстояния от Солнца до Меркурия.
Что же это за миры, которые больше нашей самой крупной твердотельной планеты и меньше наименее массивной газовой? Что именно мы открыли — мегаземли с твердой поверхностью и тонкой атмосферой или мининептуны с маленьким твердым ядром, заключенным в гигантскую газовую оболочку? Как они оказались так близко к своей звезде и почему в Солнечной системе нет планеты такого размера? Есть ли какая-нибудь связь между ответами на эти вопросы и ответом на вопрос об условиях возникновения жизни во Вселенной?
Поскольку аналоги суперземли в Солнечной системе отсутствуют, астрономам пришлось объяснять происхождение самого массового, согласно накопленных данным, класса планет, не имея возможности сравнить его с чем-то, что было им уже знакомо.
В конце 2011 г. специалисты агентства NASA определили, что, проведя 34 года в странствиях по космосу, зонд «Вояджер-1» наконец достиг границы Солнечной системы. В течение следующих нескольких лет, вызывая все большее удивление у широкой публики, агентство несколько раз объявляло о точной дате выхода зонда за пределы Солнечной системы, давая повод для громких заголовков, например таких: «Человечество выходит за пределы Солнечной системы — но это не точно» — в журнале TIME —и «“Вояджер” покинул Солнечную систему (на этот раз по-настоящему!)» — в новостях американского радио NPR. Проблема заключалась в том, что установить, где именно проходит граница Солнечной системы, практически невозможно, ведь единственным источником наших знаний в этой области являются теоретические модели.
Несмотря на эти трудности, благодаря путешествию «Вояджера-1» один факт удалось установить совершенно точно: если с момента запуска в 1977 г. зонду потребовалось столько времени, чтобы добраться до границы нашей планетной системы, вряд ли в обозримом будущем мы сможем посетить какую-либо экзопланету.
Ближайшая к нам звезда (помимо Солнца) — Проксима в созвездии Центавр. Это тусклая звезда, которая находится на расстоянии 4,24 светового года от Земли. Полагают, что рядом с ней есть планета с массой, как минимум на 30% превышающей массу Земли. Таким образом, эта планета является ближайшим к нам кандидатом в экзопланеты. Но в любом случае расстояние до Проксимы Центавра почти в 2000 больше того, которое «Вояджер-1» уже преодолел к настоящему времени. При текущей скорости космического зонда, составляющей 60 000 км/ч, ему понадобится более 75 000 лет, чтобы достичь ближайшей к нам возможной планетной системы. С учетом огромных расстояний отправка зонда для изучения загадочных свойств суперземель — предприятие, заранее обреченное на провал. Будь у нас возможность измерить хотя бы плотность планеты, это уже позволило бы нам сказать, является ли она твердотельным миром земного типа или газовым нептуном.
Внутренние планеты вроде Земли состоят преимущественно из силикатов и железа: они рождаются слишком близко к звезде, чтобы на них мог образоваться лед. Из-за тяжелых материалов эти миры характеризуются высокой плотностью: плотность Меркурия, Венеры, Земли и Марса составляет 3,9–5,5 г/см3. При аналогичном составе планета с большей массой должна обладать более высокой плотностью, так как под действием гравитации твердые породы сожмутся еще больше. Моделирование внутреннего строения планет показывает, что каменистая суперземля с массой в 5 раз больше массы нашей планеты должна иметь плотность около 7,8 г/см3.
С другой стороны, большая часть объема Нептуна приходится на его громадную атмосферу. В ее составе преобладают водород и гелий — два самых легких элемента во Вселенной. Из-за этого плотность Нептуна не превышает 1,6 г/см3. Газовый вариант суперземли — это мининептун с толстой атмосферой, окружающей ядро из твердых пород или льда. Плотность газовой планеты массой в 5 масс Земли может быть равна примерно 3–4 г/см3, то есть намного меньше, чем у каменистой суперземли, но выше, чем у Нептуна, так как в силу меньшей массы такая планета накапливает меньше легкого газа.
Чтобы вычислить среднюю плотность планет, ее массу делят на объем заполняемого ею пространства. Поскольку по форме планеты близки к сфере, все сводится к двум значениям — массе планеты и ее радиусу. К сожалению, проблема состоит не только в том, что оба эти значения очень непросто получить, но и в том, что зафиксированные значения будут иметь большую погрешность. При определении типа планеты, балансирующей на грани между массивным миром земного типа и маленьким газовым гигантом, из-за этой погрешности мы будет так же бессильны, как и врач при определении пола плода, который лежит в утробе, скрестив ножки.
В качестве примера такой планеты можно привести