ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Смена представлений: как возникают землеподобные планеты?

Теория галечной аккреции способна дать объяснение происхождению Земли и воды на её поверхности. Анимация: Ana Kova | Quanta Magazine
Боб О’Делл не был уверен, что именно он видит. Шёл 1992 год, и он только что заполучил новые изображения с космического телескопа Хаббл, который смог запечатлеть молодые звёзды в туманности Ориона в гораздо лучшем разрешении чем когда-либо ранее. О’Делл надеялся подробнее изучить саму туманность – интереснейшую область звёздообразования, относительно близкую к Земле. И всё же его внимание привлекло кое-что иное. Некоторые из звёзд вообще не походили сами на себя, а были окутаны тусклой пеленой. По словам О’Делла, они, казалось, формировали «силуэт на фоне туманности».

Сначала О’Делл и его коллеги подумали, что они, возможно, видят артефакт изображения, возникший из-за деформированного главного зеркала телескопа Хаббл, которое было отлито в слегка неправильной форме и должно было быть исправлено во время полёта космического корабля «Спейс Шаттл» в 1993 году. «Мы действительно задавались вопросом, не было ли это остаточным эффектом искривлённого главного зеркала», – говорил О’Делл, который в своё время состоял в команде проекта Хаббл. Однако вскоре, когда они начали находить на изображениях всё больше и больше подобных явлений даже после того, как проблема с зеркалом была устранена, стало понятно, что это вовсе не дефект. Они действительно наблюдали «юные» околозвёздные диски из пыли и газа, окружавшие молодые светила. Они впервые стали свидетелями рождения планет.

Открытие О’Деллом протопланетных дисков вызвало настоящую революцию в нашем понимании формирования планет. В следующие десятилетия астрономы осознали, что классическая модель планетообразования, в которой маленькие фрагменты соединяются в более крупные, постепенно превращаясь в нечто большее, может оказаться неверной. Модель формирования газовых гигантов, названная галечной аккрецией, где доминирующий объект поглощает более мелкие, пришла на смену старым представлениям о том, как возникают такие монструозные миры, как Юпитер и Сатурн.

Эти изображения, полученные космическим телескопом Хаббл, послужили первым прямым свидетельством существования протопланетных дисков вокруг далёких звёзд. Изображение: C.R. O’Dell (Rice University) | NASA

Гораздо большую загадку представляют собой скалистые миры внутренней Солнечной системы. Учёные-планетологи активно обсуждают, может ли теория галечной аккреции объяснить, как возникла Земля и её соседи, или же более вероятна старая точка зрения на процесс их формирования. В последние несколько лет на страницах научных журналов разворачивались настоящие баталии в поисках ответа на этот вопрос: битва происходила даже в замке в Баварских Альпах.

Эти дебаты способны не только пролить свет на такие великие загадки мироздания как происхождение Земли и воды на её поверхности. Они также помогут нам понять, насколько распространены землеподобные планеты во Вселенной. Являются ли такие миры невероятным космическим совпадением, просто комбинацией совершенно случайных событий, которые делают маловероятными перспективы жизни в других частях Вселенной? Или же пригодные для жизни планеты можно обнаружить только в звёздных системах с правильными характеристиками, что делает наш мир одним из многих?

«Это часть человеческого познания – спрашивать, как сформировался мир вокруг нас», – сказал Константин Батыгин, планетолог из Калифорнийского технологического института. Если он действительно сформирован из «гальки», это окажет большое влияние на то, сколько ещё миров, подобных нашему, мы сможем отыскать там, в необъятных просторах космоса.

Пришествие теории галечной аккреции

В 2012 году астрономы Андерс Йохансен и Мишель Ламбрехтс из Лундского университета в Швеции сделали довольно смелое предположение. На протяжении большей части предыдущих десятилетий учёные полагали, что планеты, такие как Земля и Юпитер, сформировались благодаря постепенному накоплению астероидоподобных объектов, планетезималей, которые сталкивались друг с другом в молодых звёздных системах. Этот процесс, известный как планетезимальная аккреция, весьма медленный – ему, возможно, требуется до 100 миллионов лет, чтобы сформировать планету. И это действительно имеет смысл. Мы обнаружили уже множество астероидов в Солнечной системе. Казалось разумным предположить, что их было намного больше на заре её формирования 4,5 миллиарда лет назад – достаточно для образования всех миров, которые мы видим сегодня.

Комплекс радиотелескопов ALMA может получать изображения весьма высокого разрешения, позволяя астрономам изучать околозвёздные планетообразующие диски. Фото: Sergio Otarola (ESO | NAOJ | NRAO)

Но у этой теории были и нестыковки. Никто не мог создать достоверную модель формирования самих планетезималей – воссоздать их путь от крошечных пылинок до камней размером с город. Это та самая проблема, известная как барьер метрового размера. Также сбивало с толку присутствие жидкой воды на Земле, поскольку в рамках этой теории учёные полагали, что её источником послужили водоносные астероиды, случайно упавшие на нашу планету. И что самое неприятное, планетезимальная аккреция требовала слишком много времени для формирования Сатурна, Урана и Нептуна. К тому времени, когда сформируются их твёрдые ядра – по прошествии десятков миллионов лет – им просто физически не хватит времени для накопления достаточного количества газа из протопланетного диска, чтобы стать газовыми гигантами, поскольку «большинство дисков исчезает уже через несколько миллионов лет», – пояснил Андре Изидоро, планетолог из Университета Райса.

Йохансен и Ламбрехтс предложили новую модель. Чтобы исключить столкновения нескольких планетезималей, они предположили, что одна доминирующая планетезималь может вырасти до огромных размеров за короткий промежуток времени всего в несколько миллионов лет за счёт сбора материала внутри протопланетного диска «подобно пылесосу». Этот материал состоит из крошечных камушков, окружающих молодые звёзды. Они назвали эту теорию галечной аккрецией.

Эта «галька» чрезвычайно мала, всего от нескольких миллиметров до сантиметров в диаметре, в то время как планетезимали могут достигать сотен километров в ширину и сравнимы по габаритам с некоторыми астероидами, наблюдаемыми в Солнечной системе сегодня. И те, и другие могут быть найдены в протопланетном диске звезды; причём последние время от времени могут сталкиваться друг с другом.

В 2014 году, всего через два года после того, как Йохансен и Ламбрехтс опубликовали свою модель галечной аккреции, наблюдения показали, что диски действительно наполнены этими мельчайшими объектами. Комплекс из 66 телескопов под названием ALMA выявил большое количество «гальки» общей массой равной ста Землям внутри протопланетного диска, окружающего молодую звезду – в том числе и в широких промежутках, созданных формирующимися планетами, «протаптывающими» свои орбиты. Внутри этих дисков повсюду была та самая «галька». «С помощью комплекса телескопов ALMA мы выяснили, что протопланетные диски формируются из огромных масс мелкой “гальки”, а не планетезималей», – рассказал Ламбрехтс.

Наблюдения, проведённые в 2014 году с помощью комплекса телескопов ALMA за протопланетным диском вокруг звезды HL Tauri, выявили скрытые структуры и присутствие «гальки». Изображение: ALMA (ESO | NAOJ | NRAO)

Вскоре большинство учёных согласились с тем, что планеты-гиганты образовались вследствие галечной аккреции. Просто оказалось, что это единственный способ для подобных объектов сформироваться достаточно быстро. «Если говорить про ядра планет-гигантов, то нет никаких сомнений, что ответ на все вопросы – галечная аккреция», – пояснил Алессандро Морбиделли, планетолог из обсерватории Лазурного берега во Франции.

Тем не менее, хотя эта теория, казалось бы, объяснила образование Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, галечная аккреция положила начало серьёзным дискуссиям о процессе формирования планет земной группы: Меркурия, Венеры, Земли и Марса. «В принципе, планеты земной группы могли сформироваться и с помощью планетезимальной аккреции, – сказал Ламбрехтс. – Но сейчас мы являемся свидетелями пришествия теории галечной аккреции».

В модели галечной аккреции, как и в планетезимальной, всё начинается с протопланетного диска вокруг молодой звезды. Обе модели предполагают,, что планетезимали образуются благодаря явлению под названием потоковая нестабильность. По сути, пыль и «галька» испытывают сопротивление, когда сталкиваются с газом, окружающим звезду. По словам Джоанны Дронжковской, астрофизика из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана, это заставляет «гальку» слипаться вместе до тех пор, пока некоторые такие образования не станут настолько массивными, что сделаются гравитационно связанными, превратясь в планетезимали шириной до нескольких сотен километров. По мере их формирования они могут вращаться, что как бы делит их на две части. Это заметно при наблюдении за объектами внешней Солнечной системы, такими как Аррокот. Предполагается, что этот процесс невероятно быстрый и, возможно, занимает всего 100 лет.

Аррокот – это ледяной астрономический объект, расположенный в миллиарде километров за орбитой Плутона. Его структура, состоящая из двух частей, намекает, что он сформировался из вращающейся каменной глыбы. Изображение: NASA

С этого места в двух моделях начинаются расхождения. При планетезимальной аккреции эти самые планетезимали формируются в диске повсюду, практически не оставляя «гальки». За десятки миллионов лет большие планетезимали сталкиваются и соединяются, в конечном итоге давая начало планетам земной группы, которые мы и видим сегодня.

При галечной же аккреции доминирующими становятся всего несколько планетезималей. Они начинают «пылесосить гальку» в протопланетном диске, которая стекается к ним длинными тонкими нитями, напоминающими линии рек на нашей планете. Это чрезвычайно энергоёмкий процесс, в ходе которого «галька» падает в горячие светящиеся океаны магмы на поверхности. «Эти планеты действительно сияют», – подтвердил Ламбрехтс. Этот процесс очень эффективен. Земля могла бы сформироваться в свою полную величину всего за несколько миллионов лет, в сравнении с примерно 100 миллионами лет при планетезимальной аккреции.

Одна из самых интересных особенностей теории галечной аккреции заключается в том, что она точно воссоздаёт процесс формирования обитаемых планет. Вместо того, чтобы полагаться на случайное столкновение богатых водой астероидов с протопланетами, модель предполагает, что ледяная «галька» из внешней части Солнечной системы обеспечивает постоянный приток воды на такую планету, как Земля. Эта идея известна под названием галечный снег. «Галечный снег хорош тем, что он становится предсказуемым, – говорит Йохансен. – Количество воды, углерода и азота, которое попадает на Землю, можно рассчитать».

Таким образом, если модель галечной аккреции для формирования планет земной группы верна, это предвещает хорошие перспективы для поиска других форм жизни во Вселенной. Если при планетезимальной аккреции существование воды на Земле отдано на волю случая, то уже при галечной аккреции этого можно было ожидать в такой планетной системе, как наша. Возьмите протоземлю и поместите её вокруг похожей звезды в аналогичном положении, и количество воды, которую она сможет собрать, в теории может быть точно таким же. Обитаемые миры больше не будут образовываться в ходе совершенно случайных событий: само их существование будет обусловлено правильными характеристиками планетной системы. «Это можно использовать как отправную точку для понимания химии пребиотиков и происхождения жизни», – говорит Йохансен.

Великий архитектор

Галечная аккреция кажется весьма привлекательной идеей. Она решает проблему быстрого формирования планет, она объясняет присутствие воды на Земле, и мы даже можем отыскать эту самую «гальку» в формирующихся экзопланетных системах. «С помощью ALMA мы узнали, что “галька” сконцентрирована в определённых областях диска, где есть шанс образования планетезималей или планет», – пояснила Паола Пинилья, учёная из Университетского колледжа Лондона, изучающая процесс формирования планет.

Тем не менее, хотя это и даёт хорошее объяснение столь быстрому формированию гигантских планет, галечная аккреция имеет весьма очевидные пробелы, когда речь заходит про планеты земной группы.

Во-первых, откуда взялась «галька» во внутренней области Солнечной системы? В течение последних лет планетологи пришли к выводу, что Юпитер, как самая большая планета в нашей системе, был основной движущей силой, определившей судьбу всех миров в ней. «Складывается картина, что именно Юпитер был великим архитектором Солнечной системы», – добавил Батыгин.

Вскоре после своего быстрого формирования, Юпитер создал барьер между внутренней и внешней областями Солнечной системы, не позволяя материалу из «богатой массой» внешней области стать источником для «истощённых» внутренних планет земной группы. «Планеты-гиганты блокировали поток пыли и “гальки”», – дополнил Морбиделли. «Галька» во внутреннем диске могла рассеяться до образования планет земной группы, и для создания Земли просто не хватило бы материала без какого-либо его источника из внешней области Солнечной системы.

Но даже если бы материала было достаточно, теория галечной аккреции сталкивается с другой проблемой: она чрезвычайно эффективна и, возможно, даже слишком. Если Земля и другие планеты земной группы действительно образовались в результате галечной аккреции, совершенно неясно, почему они не становились всё больше и больше, в конечном итоге не превратившись в суперземли – миры, чей размер находится примерно в диапазоне между Землёй и Нептуном, и которые, похоже, довольно часто встречаются в других планетных системах. «Проблема галечной аккреции в том, что она либо не слишком эффективна, либо же чересчур эффективна, – сказал Шон Реймонд, астроном из астрофизической лаборатории Бордо во Франции. – Она не бывает умеренной. А для формирования планет земной группы, вам нужно правильное количество материала». 

Если его слишком мало – планеты просто не сформируются. В ином случае, образование произойдёт слишком быстро, в слишком большом масштабе, и в планетной системе будут преобладать суперземли, а не планеты земной группы.

Эти нестыковки вызвали серьёзные споры среди учёных-планетологов в последние несколько лет, и обе стороны этой дискуссии продолжают проводить много исследований для подкрепления своей точки зрения. В сентябре Морбиделли и его коллеги опубликовали в журнале Nature Astronomy статью, основанную на наблюдениях за астероидом Веста, в которой текущая конфигурация Солнечной системы объясняется с помощью планетезималей. Исследователи предполагают, что в том месте, где сейчас расположена Земля, вокруг Солнца когда-то вращалось кольцо планетезималей. Со временем в середине кольца сформировались две большие планеты (Венера и Земля), а по его краям – два мира поменьше (Меркурий и Марс). 

Другие учёные продолжают разрабатывать модели, в которых «галька» всё же способна сформировать планеты земной группы. В феврале этого года Йохансен и его коллеги написали статью о том, как в ходе такого процесса могла возникнуть Солнечная система. Затем, в апреле, Дронжковска и её коллеги использовали галечную аккрецию, чтобы объяснить, почему суперземли относительно редко встречаются вокруг других солнцеподобных звёзд.

В октябре на семинаре в замке Рингберг в Германии прошли свободные дебаты. Некоторые учёные, такие как Йохансен и Ламбрехтс, по-прежнему в значительной степени поддерживают применение модели галечной аккреции для формирования планет земной группы. «Есть очень веские доказательства того, что это доминирующий процесс», – сказал Йохансен. Другие убеждены в этом гораздо меньше. «Я думаю, что галечная аккреция – очень важный процесс для понимания процесса образования планет, но я не уверен, что это тот самый процесс, при помощи которого сформировались планеты земной группы в Солнечной системе», – возразил Торстен Кляйне, планетолог из Вестфальского университета им. Вильгельма в Германии. Обе эти модели, в теории, вполне могли бы работать согласованно: с помощью галечной аккреции образовались бы планетезимали, которые затем соединялись бы вместе после того, как Юпитер перекрывал бы поток поступающей «гальки».

Некоторые надеются, что изучение состава космических объектов поможет пролить свет на этот вопрос. Йохансен указал, что если бы модель планетезимальной аккреции была истинной, мы смогли бы отыскать астероиды, близкие по составу к Земле, учитывая, что они, вероятно, были строительными блоками нашего мира. Но этого пока не произошло. «Я думаю, что это очевидное ограничение классической модели, потому что мы не смогли найти ни одного такого объекта, – сказал он. – На самом деле нет никаких метеоритов, похожих по своему составу на Землю».

Однако, по словам космохимика из Института Карнеги Александра Конеля, если бы наша планета образовалась в результате галечной аккреции, мы должны были бы найти на Земле «гораздо большее количество» доставляемых «галькой» из внешней Солнечной системы летучих элементов, таких как азот и углерод. «Но нам этого так и не удалось», – добавил он. Такие учёные как Александр надеются, что объединение новых идей космохимии с моделированием ранней Солнечной системы сможет дать какие-либо полезные ответы на эти вопросы. «И разработчикам таких моделей, и космохимикам предстоит немного поработать», – подытожил он.

Дальнейшие исследования экзопланетных систем вполне способны дать больше информации. По словам Пинильи, с помощью комплекса телескопов ALMA уже проведены наблюдения за более чем 5000 протопланетных дисков, от очень молодых, сформировавшихся менее 1 миллиона лет назад, до дисков возрастом в 30 миллионов лет. В одном случае учёные даже смогли увидеть гигантскую планету – мир под названием PDS 70b – сформированную внутри такого диска, и в будущем они надеются отыскать ещё больше подобных объектов. На некоторых дисках заметно свечение пыли, что указывает на возможное присутствие сталкивающихся планетезималей – хотя их количество сложно определить. Предстоящие наблюдения при помощи космического телескопа Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 22 декабря, наряду с работой комплекса телескопов ALMA, могут дать неоценимые дополнительные подсказки в этом направлении. «Если мы совместим химические следы, полученные при помощи Уэбба, и распределение “гальки”, выявленное ALMA, мы, вероятно, сможем определить типы планет, которые могут образовываться во внутренних частях дисков», – сказала Пинилья.

И всё же многое остаётся неопределённым. Главный же вопрос, стоящий перед учёными сегодня, можно сформулировать следующим образом: была ли наша планета сформирована повторяющимися столкновениями огромных небесных тел, похожих на астероиды, или же мы стоим на вершине мира, состоящего из триллионов и триллионов крошечных космических камешков? Решение этого фундаментального вопроса откроет окно не только в наше собственное прошлое, но и в прошлое миров, подобных Земле.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

17
Войдите, чтобы видеть ещё 7 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Занимательный Илон
Вечность назад

Странно, до этой статьи я и предполагал, что так образовываются планеты?! Теперь сомневаюсь)))

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.