Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли
Шрифт:
По мере того как газ перестает сжиматься и начинает охлаждаться, частицы пыли конденсируются внутри диска подобно кристалликам льда, образующимся при замерзании водяного пара. Эти крошечные песчинки сливаются с хаотичным скоплением пыли, которое уже присутствует в газовой облаке, образуя первые твердые тела вокруг нашего Солнца. Так начинается процесс формирования планеты. Из мельчайших строительных блоков на этой газово-пылевой фабрике, которую называют «протопланетным диском», собираются все более массивные объекты.
Видимая
Проверить это нетрудно – например, можно поискать протопланетные диски вокруг существующих сейчас молодых звезд. Проблема в том, что эти диски не светятся. В отличие от звезды в центре, которая активно разогревается, превращаясь в колоссальный пылающий шар, окружающий ее пылевой диск не может сам излучать свет. Но при этом пыль должна поглощать исходящую от звезды энергию. Энергия света звезды должна нагревать пыль в протопланетном диске точно так же, как лучи летнего солнца раскаляют капот автомобиля. Нагревшись, пыль должна выделять тепло в виде низкоэнергетического излучения инфракрасного спектра.
Человеческий глаз не чувствителен к инфракрасному излучению, но найти камеры, которые могут его регистрировать, не так уж и трудно. К сожалению, этот вид устройств, отлично подходящий для фиксации тепла, исходящего от ночного грабителя, невозможно просто направить в небо, чтобы обнаружить там протопланетный диск. Причина в том, что, хотя звезда нагревает диск, его температура все равно может опускаться намного ниже любого значения, которое можно встретить на Земле. Чтобы излучаемое самой камерой тепло не мешало работе, ее придется охладить до температуры ниже той, которая фиксируется в звездной колыбели. Кроме того, собственная атмосфера Земли очень хорошо поглощает инфракрасное излучение; в этом она легко даст фору упомянутому выше грабителю, убегающему с вашим новым телевизором. Поэтому лучшее место для размещения такого инструмента – космос.
Даже несмотря на то, что поддерживать низкие температуры при работе с космическими телескопами проще, использовать их для охоты за инфракрасным излучением все равно можно только при наличии дополнительного охлаждения. Обычно нужная температура достигается с помощью жидкого гелия, который медленно испаряется, поглощая окружающее его тепло и поддерживая температуру телескопа на уровне –270 °C. Когда гелий полностью испаряется, телескоп слегка нагревается до умеренно мягких –244 °C.
Как раз такими телескопами, чья задача заключается в поиске дисков вокруг молодых звезд, были телескопы «Инфракрасная космическая обсерватория» (Infrared Space Observatory) и космический телескоп «Спитцер» (Spitzer Space Telescope). Первый был запущен в 1995 г. Европейским космическим агентством и продолжал работать до 1998 г., пока не закончился гелиевый хладагент. «Спитцер» – одна из «Больших обсерваторий» NASA. В эту знаменитую группу спутников также входит космический телескоп «Хаббл». «Спитцер» был запущен в 2003 г., хладагент на нем был выработан в мае 2009-го, но телескоп продолжил работу в режиме ограниченной нагрузки при более высокой температуре. Результаты работы этих телескопов не оставляли сомнений: все звезды младше миллиона лет окружены пылевыми дисками. Если этого набора условий достаточно для формирования планет, то вокруг каждой новой звезды действительно могут образовываться новые миры.
Впрочем, проведенные исследования позволили сделать еще и другой вывод. Хотя у всех самых молодых звезд были диски, только 1 % звезд старше 10 млн лет по-прежнему имели тот набор условий, который требуется для формирования планет. Единственное толкование: формирование планет происходит в рамках определенного периода времени.
Исчезновение протопланетного диска может объясняться несколькими причинами. Самое захватывающее объяснение: весь диск превращается в планеты, в результате чего образуется целый хоровод новых миров. К сожалению, наблюдения за нашей Солнечной системой и за известными нам эзкопланетными системами показывают,
Еще одно вероятное объяснение заключается в том, что под действием гравитационных сил диск притягивается к близлежащим звездам, отрываясь от своего солнца. Это процесс действительно может иметь место в некоторых случаях, но он не настолько широко распространен, чтобы им можно было объяснить полное исчезновение всех протопланетных дисков: обычно звезды находятся слишком далеко друг от друга. Поэтому за разрушением диска должны стоять факторы внутреннего порядка, то есть в процессе формирования звезды и дисковой системы последняя разрушает саму себя.
Отчасти в разрушении виновато трение внутри диска. Для наглядности можно представить себе диск в виде следующих друг за другом беговых дорожек вокруг звезды. Газ на внутренней дорожке выбивается вперед, опережая газ на соседней внешней дорожке. В результате трения между дорожками скорость газа на внутренней дорожке уменьшается, а значит, в противостоянии вращения и гравитационных сил протозвезды последние начинают одерживать верх. Увлекаемый вперед газом с внутренней дорожки, газ на внешней дорожке набирает скорость, но одновременно с этим замедляется под влиянием газа с дорожки, которая граничит с ним с другой стороны. По мере уменьшения влияния на диск вращения газ и находящаяся во взвешенном состоянии пыль падают по направлению к звезде.
Этот процесс падения вещества по спирали называют аккрецией. Безусловно, на него можно списать исчезновение определенной части диска. Однако, учитывая, что этот процесс протекает достаточно медленно, вряд ли его можно считать единственной причиной. На разрушение внешних частей дисков путем аккреции потребовалось бы несколько миллиардов лет. Но, как показывают наблюдения, все происходит намного быстрее – приблизительно за 10 млн лет. Еще больше усугубляет ситуацию то обстоятельство, что процесс частичного разрушения диска наблюдается исключительно редко. Это указывает на то, что фактическое время разрушения в 10 раз меньше, а сам процесс, скорее всего, протекает практически одновременно во всем диске. Последний вывод наиболее проблематичен, поскольку, чем ближе к звезде, тем быстрее протекает аккреция, а значит, диск поглощается изнутри. Для этого требуется вторая, более динамичная деструктивная сила. Ее источником выступает сама звезда.
Подобно болезненному взрослению подростка, процесс превращения молодой протозвезды в полноценное солнце протекает весьма бурно. В случае со звездой промежуточной массы, такой, например, как Солнце, этот бунтарский период называют стадией Т Тельца – в честь первой звезды – звезды в созвездии Телец, при наблюдении за которой был зафиксирован этот неловкий момент. Почти как осыпающие родителей оскорблениями подростки, звезды типа Т Тельца являются источником не только губительной радиации в форме высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения, но еще и опаляющих ветров, несущих с собой высокоэнергетические частицы. Сталкиваясь с верхними газовыми слоями диска, они нагревают их. В непосредственной близости от солнца эта бомбардировка энергией приводит лишь к очень сильному нагреванию диска. Однако по мере удаления гравитационное притяжение звезды слабеет, и этой энергии может быть достаточно для того, чтобы газ и малейшие частицы пыли диска могли преодолеть притяжение и ускользнуть в виде ветра. Этот процесс называют фотоиспарением (дословно – «испарением под действием фотонов», то есть частиц излучения). Считается, что именно по его вине разрушается основная часть диска. Вблизи звезды, где сила гравитации достаточно велика, чтобы противостоять фотоиспарению, дело довершает аккреция.
С исчезновением газового диска вокруг звезды продолжают свободно обращаться только планеты и прочие твердые объекты, которые слишком велики, чтобы их унесло вместе с газом. При этом большая часть сохраняющегося в системе газа уже входит в состав планет, где он удерживается гравитационным полем. Поскольку в нашей Солнечной системе существует четыре планеты, огромная часть объема которых приходится на газовую атмосферу, мы знаем, что к моменту разрушения диска формирование планетного окружения должно быть почти завершено. Таким образом, на то, чтобы куча частичек пыли в 10 раз меньше песчинки превратилась в полноценный мир, похожий на место, где однажды может зародиться жизнь, должно уходить приблизительно 10 млн лет.