Дмитрий Вибе : Образование Солнечной системы

Конспект

Вы живёте в Солнечной системе и наверняка уверены, что она устроена «как полагается»: маленькие каменные планеты жмутся к Солнцу, газовые гиганты степенно вращаются на дальних рубежах, всё крутится в одной плоскости по аккуратным кругам. Логично, красиво, понятно. Вот только за последние тридцать лет астрономы открыли тысячи других планетных систем — и выяснили обескураживающую вещь: наш космический дом не просто нетипичен. Он относится к довольно редкому классу. Самые распространённые планеты во Вселенной в Солнечной системе отсутствуют вообще. Ни одной.

Аккуратная геометрия, в которую все поверили

Чтобы понять, насколько мы странные, сначала надо понять, насколько мы упорядочены. Великое прозрение Кеплера в начале XVII века было двойным: планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, и Солнце сидит не в центре этого эллипса, а в одном из его фокусов. Вытянутость эллипса описывают числом — эксцентриситетом. У окружности он равен нулю, и чем он больше, тем сильнее орбита похожа на растянутый овал.

Так вот, посмотрите на планеты Солнечной системы — и вас поразит их дисциплинированность. Самый «непослушный» из всех, Меркурий, имеет эксцентриситет всего 0,2 и наклон орбиты к плоскости земной всего семь градусов. У остальных и того меньше. Планеты вращаются почти в одной плоскости, почти по кругам, в одну и ту же сторону. Больше того — в эту же сторону вращается само Солнце, в эту же сторону крутятся вокруг своих осей почти все планеты (Венера и Уран — бунтари), в эту же сторону движется почти вся армия крупных спутников. Такое единодушие не бывает случайным. Именно из этой геометрии и родились первые догадки о том, как Солнечная система появилась.

Два мира, разделённые снеговой линией

Планеты делятся на две предельно чёткие группы. Близко к Солнцу — каменные крепыши земной группы: маленькие, тяжёлые, с плотностью камня в 4–5 граммов на кубический сантиметр. У них почти нет спутников, и состоят они из тугоплавких веществ — железа, кислорода, кремния, магния. В центре Земли железное ядро, вокруг — силикатная мантия из минералов вроде оливина. Логично: рядом с Солнцем жарко, выживает только то, что не боится высоких температур.

Дальше — гиганты. Огромные, но рыхлые. Плотность Сатурна — всего 0,7 грамма на кубический сантиметр, меньше, чем у воды; брось его в гигантский океан, и он бы всплыл. Эти планеты сложены преимущественно из водорода и гелия — тех же элементов, что и Солнце. У всех есть кольца и целые свиты спутников, причём у Юпитера и Сатурна их число регулярно растёт, отчасти из-за захвата чужих тел из космоса.

Между двумя мирами лежит Главный пояс астероидов. Когда-то думали, что это обломки погибшей планеты, и в популярных книжках эта идея до сих пор живёт. Но соберите все полтора с лишним миллиона известных астероидов в кучу — и получите всего 0,006 массы Земли. Даже на одну Луну не хватит. Никакой разрушенной планеты не было. А вот следы чужого вмешательства видны отчётливо: в поясе есть пустые провалы — люки Кирквуда, выметенные тяготением Юпитера, который веками не давал астероидам спокойно жить в резонансе со своим движением.

Радиоактивный нагрев и перетасованные осколки

Астероиды хранят память о ранней Солнечной системе — но память подпорченную. Крупные ещё несут логичный порядок: ближе к Солнцу каменные, дальше — богатые углеродом и водой. А вот мелкие астероиды уже основательно перемешаны, словно их кто-то перетасовал, как колоду карт.

И ещё одна загадка. Возьмите астероид Веста размером всего 500 километров. Казалось бы, такая мелочь — откуда там железное ядро? А оно есть: когда-то Веста была настолько горячей, что расплавленное железо ушло вниз. Источник этого жара — радиоактивный изотоп алюминий-26 с периодом полураспада около 700 тысяч лет. Распадаясь в магний-26, он разогревал даже небольшие тела. И вот что странно: молодая Солнечная система содержала этого изотопа в несколько раз больше, чем галактика в среднем. Откуда такой избыток? Запомните этот вопрос — к нему мы ещё вернёмся.

Дальние рубежи: пояс Койпера, седноиды и невидимая планета

За орбитой Нептуна раскинулся пояс Койпера — на порядки массивнее Главного пояса астероидов. Часть его тел движется по спокойным круговым орбитам — это классический пояс Койпера, который резко обрывается на 48–50 астрономических единицах. Дальше ничего. Другие тела, включая Плутон, заброшены на вытянутые орбиты тяготением Нептуна.

А вот седноиды объяснить так не удаётся. Седна, открытая в 2003 году, в ближайшей к Солнцу точке подходит к нему лишь на 76 астрономических единиц — слишком далеко, чтобы её туда зашвырнул Нептун. Значит, работал какой-то другой механизм. Возможно, виновата гипотетическая девятая планета — массивное тело, может быть, в десяток земных масс, которое прячется где-то очень далеко и выдаёт себя лишь странной неслучайностью орбит транснептуновых объектов. Если планет нет, эти орбиты должны быть разбросаны хаотично, а они почему-то выстраиваются. Но честный ответ таков: мы не знаем, существует ли она. Мы догадываемся. И даже не нашли — потому что искали пока без особого усердия, ведь часть подозрительного участка неба попадает на плотные звёздные поля, где разглядеть планету почти невозможно.

Ещё дальше — кометы. Долгопериодические, вроде блистательной кометы Хейла-Боппа, украсившей небо в 1997 году, уходят в афелии на десятки тысяч астрономических единиц. В 1950 году Ян Оорт предположил, что Солнечную систему почти сферически окружает гигантский резервуар ледяных кометных ядер, откуда они время от времени срываются к Солнцу.

Как из туманности вырастили звезду с планетами

Откуда взялась эта сложная конструкция? Кант и Лаплас ещё в XVIII веке заметили согласованность движений и предположили: всё родилось из единого плоского вращающегося диска. Параллельно жили катастрофические гипотезы — будто планеты выбило из Солнца при столкновении с кометой или при сближении с пролетавшей звездой. Но к середине XX века от них пришлось отказаться: оторвать от Солнца вещество не выйдет — оно нагрето до миллиона градусов и просто разлетится, никаких планет из него не слепишь.

Победила небулярная картина. Джеймс Джинс облёк в математику старую интуицию Ньютона: если в почти однородном газе возникает достаточно крупное уплотнение, гравитация не даст ему разлететься обратно — оно неудержимо схлопнется. А если облако ещё и вращается, при сжатии оно расплющится в блин: вдоль оси вращения сжатие идёт свободно, а поперёк ему мешает центробежная сила. В центре блина загорается звезда, из остатков рождаются планеты. Внутри снеговой линии — каменные миры, снаружи — гиганты, обрастающие водородом и гелием. Стройно, логично, красиво.

И неправильно. Это стало ясно, как только число известных протопланетных дисков и планетных систем превысило единицу.

Когда телескоп ALMA показал чужие диски

Молодые звёзды типа Т Тельца окружены протопланетными дисками — их выдают избыток ультрафиолета от падающего на звезду вещества и избыток инфракрасного излучения от нагретой пыли. Но чтобы рассмотреть сами диски, понадобился особый инструмент: интерферометр ALMA из 66 антенн в чилийской пустыне Атакама. Масштаб задачи отрезвляет: обычный оптический телескоп умещает всю Солнечную систему — вместе с Нептуном и Плутоном — в один-единственный пиксель. Даже ALMA с антеннами, раздвинутыми на 16 километров, видит всю область формирования планет земной группы как одну точку.

И когда диски наконец удалось разглядеть, выяснилось интересное. По размеру протосолнечный диск — около 50 астрономических единиц — в общую толпу вписывается. А вот по массе нет: чтобы из водородно-гелиевого вещества слепить нынешние планеты, его требовалось примерно одна десятая массы Солнца, около десяти Юпитеров. Это много — у подавляющего большинства наблюдаемых дисков масса заметно ниже. Наш диск был компактным, но необычайно плотным, да ещё с резким, словно обрезанным краем. И возраст поджимает: диски живут максимум 5–10 миллионов лет, после чего исчезают. За этот срок нужно успеть построить целую планетную систему — включая далёкие Уран и Нептун, которым, казалось бы, на это категорически не хватало времени.

Горячие Юпитеры и планеты, которых у нас нет

В 1995 году открыли первую планету у звезды солнечного типа — 51 Пегаса. И она оказалась издевательством над всей нашей стройной теорией: газовый гигант в половину Юпитера, который обегает звезду за четыре дня по орбите радиусом 0,05 астрономической единицы. Это ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу. Мы так убедительно объяснили, почему Юпитер должен быть далеко, — и первая же чужая планета оказалась гигантом, прижавшимся к своему светилу. Таких «горячих Юпитеров» нашли множество.

На другом полюсе — планеты-гиганты в системе HR 8799, движение которых по орбитам можно буквально снять на видео, потому что они невероятно далеки от звезды: 16, 26, 41, 70 астрономических единиц, а массы — около десяти Юпитеров. Там уже не должно было остаться никакого диска, а гигант есть. Вывод напрашивается сам: планеты не обязаны оставаться там, где родились. Они мигрируют — и значит, этот механизм нельзя было заказывать и нашим собственным планетам.

А вот самый отрезвляющий факт. Среди планет, по которым статистика более-менее полна, безусловно лидируют два типа: сверхземли с радиусами около полутора земных и мини-Нептуны размером около двух с половиной земных. Это самые распространённые планеты во Вселенной. И в Солнечной системе их нет ни одной. Где-то между Землёй и Нептуном по размеру — пропасть, которую вся остальная Галактика заполняет с удовольствием, а у нас она пуста.

Шумная колыбель, из которой нас выгнали

Сложите все странности — резкий край диска, его огромную массу, загадочные седноиды, избыток алюминия-26 — и вырисовывается портрет места, где родилось Солнце. Это была не тихая заводь, а нечто вроде туманности Ориона: гигантское плотное скопление, где рождаются и маломассивные звёзды, и могучие гиганты в десятки солнечных масс.

Резкий край диска? Такие «обожжённые» снаружи диски мы как раз видим в Орионе — их периферию выжигает ультрафиолет и звёздный ветер массивных соседей. Седноиды? Возможно, они захвачены из чужих планетных систем, а для этого нужно тесное звёздное окружение с частыми сближениями. Избыток алюминия-26? Близкая вспышка сверхновой — гибель массивной звезды, прожившей всего несколько миллионов лет и осыпавшей радиоактивным алюминием медленно формировавшуюся Солнечную систему. А потом нас из этого буйного места выбросило — и слава богу: останься мы там, никакой жизни на Земле быть не могло. Представьте небо тех времён: звёзд в сто тысяч раз больше, чем сейчас. Фантастическое зрелище — и абсолютно смертельное.

Как лепили планеты: от пылинок до олигархов

Самое старое вещество, которое можно потрогать, — хондритовые метеориты. А самые древние их части, кальций-алюминиевые включения, образовались 4 миллиарда 567 миллионов лет назад. Это и есть возраст Солнечной системы, точка отсчёта для всего.

Дальше пыль начала слипаться. Сперва всё идёт гладко: пылинки сталкиваются мягко и срастаются. Но с какого-то размера в моделях они начинают дробиться, а не расти, — и природе пришлось искать обходной путь. Сейчас в фаворе «потоковая неустойчивость»: как велосипедисты на треке прячутся за лидером, так и пылинки сбиваются в плотные стайки, чьей собственной гравитации хватает, чтобы слепиться в тела. Когда вырастают планетезимали в сотню километров, включается гравитация — и начинается ураганный рост: чем ты массивнее, тем больше нагребаешь. А под конец — олигархический этап, где уцелевают только самые крупные, кто раньше всех успел нахапать и кого уже никаким столкновением не разбить. Эти столкновения и объясняют все причуды: огромное железное ядро Меркурия, медленное обратное вращение Венеры, нашу необычную Луну, гладкое северное полушарие Марса.

Загадка маленького Марса и происхождение воды

Марс не должен быть таким крошечным — модели упрямо делают его размером с Землю и Венеру. А марсианские метеориты говорят, что он сформировался необычайно рано, словно что-то резко оборвало его рост. Самое изящное объяснение — «большой поворот» Юпитера. Гигант, взаимодействуя с остатками диска, мигрировал к Солнцу примерно на полторы астрономические единицы, своим тяготением обглодал заготовку Марса — а потом, поссорившись с Сатурном за пространство, оба гиганта откатились обратно.

И тут — неожиданный бонус. Земля родилась внутри снеговой линии и должна была быть сухой. Откуда же на ней вода? Возможно, мигрирующий Юпитер расшевелил пояс астероидов и забросал молодую Землю телами, богатыми водой. Если этот сценарий верен, то без миграции Юпитера наша планета осталась бы безводной пустыней. Хотя есть и другие гипотезы, в которых вода пришла прямо вместе с веществом Земли. Точного ответа пока нет.

Так кто же мы — закономерность или случайность?

Пока мы изучали единственную планетную систему, нам казалось, что мы её понимаем. Теперь, зная тысячи чужих систем и сотни дисков, мы видим: наш сценарий встречается нечасто и уж точно не самый популярный. И чем больше мы наблюдаем, тем больше становится нерешённых вопросов, а не меньше, — ведь по системам, похожим на нашу, статистика катастрофически бедна. Нельзя ничем заменить время: чтобы заметить аналог нашего Юпитера у далёкой звезды, нужно следить за ней минимум двенадцать лет, целый его оборот. Более чувствительный телескоп тут не поможет — нужно просто ждать.

И вот что стоит за всеми этими цифрами и орбитами. Если мы живём в очень нетипичной планетной системе, насколько вероятно появление жизни и разума где-то ещё? Исследуя и Солнечную систему, и чужие миры, мы по сути пытаемся понять про самих себя простую и огромную вещь: являемся ли мы закономерным итогом развития Вселенной — или редкой счастливой случайностью, которая однажды села под совершенно другим небом и задалась этим вопросом.