Kad astronomi pirms divām desmitgadēm atklāja pirmo eksoplanetu ap parasto zvaigzni, viņi vienlaikus bija laimīgi un sašutuši: atvērtā planēta 51 Pegasus b bija pusotru reizi masīvāka nekā Jupiters, bet tajā pašā laikā tā atradās ārkārtīgi tuvu zvaigznei: tā tikai vienu dienu veic vienu apgriezienu, kas tikai 4 dienās, kas daudz ātrāk nekā Merkurs, planēta, kas ir vistuvāk Saulei, 88 dienu laikā veic revolūciju. Teorētiķi, kuri pētīja planētu veidošanos, neredzēja planētu veidošanās un izaugsmes iespējas tik tuvu jaundzimušai zvaigznei. Varbūt tas bija noteikuma izņēmums, taču drīz vien tika atklāti vēl vairāki karsti Jupiteri, kuriem pievienojās citas dīvainas planētas: garenās un ļoti slīpās orbītās un pat rotējot pret vecāku zvaigznes rotācijas virzienu.
Eksoplanetu medības ir paātrinājušās kopš Keplera kosmiskā teleskopa palaišanas 2009. gadā, un 2500 atklātās pasaules ir pievienojušas statistiku eksoplanetu izpētei - un tas ir radījis vēl lielāku neskaidrību. Keplers atklāja, ka visizplatītākais planētu tips galaktikā atrodas kaut kur starp Zemi un Neptūnu - superzemēm, kurām mūsu Saules sistēmā nav analogu un kuras tika uzskatītas par gandrīz neiespējamām. Mūsdienu zemes bāzes teleskopi uztver gaismu tieši no eksoplanetām, tā vietā, lai netieši atklātu to klātbūtni, kā to dara Keplers, un arī šie dati ir neparasti. Tika atklātas milzu planētas, kuru masa vairākas reizes pārsniedz Jupitera masu, un attālums no tām līdz zvaigznītēm ir divreiz lielāks nekā attālums no Neptūna līdz Saulei - tas ir, tie atrodas citā reģionā,kur teorētiķi lielu planētu dzimšanu uzskatīja par neiespējamu.
“Jau no paša sākuma bija acīmredzams, ka novērojumi nebija ļoti teorētiski,” saka Brūss Makintoss, Stenfordas universitātes fiziķis Palo Alto, Kalifornijā. "Nekad nav bijis brīža, kad teorija būtu apstiprinājusi novērojumu."
Teorētiķi mēģina radīt scenārijus planētu "augšanai" vietās, kuras kādreiz tika uzskatītas par aizliegtām. Viņi paredz, ka planētas var veidoties daudz mobilākā un haotiskā vidē, nekā viņi jebkad bija iedomājušies, topošajām planētām dreifējot no apļveida orbītām, kas atrodas tuvu zvaigznei, uz garākām un attālākām. Bet arvien paplašinājies eksotisko planētu zooloģiskais dārzs, ko pētnieki novēro, nozīmē, ka katrs jaunais modelis ir provizorisks. “Katru dienu jūs varat atklāt kaut ko jaunu,” saka astrofiziķis Tomass Henings no Astronomijas institūta. Makss Planks Heidelbergā, Vācijā. "Tas ir tāpat kā atklāt jaunus laukus zelta skriešanās laikā."
Tradicionālais zvaigžņu un to planētu veidošanās modelis radies 18. gadsimtā, kad zinātnieki ierosināja, ka lēnām rotējošs putekļu un gāzes mākonis var sabrukt sava smaguma ietekmē. Lielākā daļa materiāla veido bumbiņu, kas saraujas, sakarst un kļūst par zvaigzni, kad tās centrs kļūst pietiekami blīvs un karsts, lai ierosinātu termoelektriskās reakcijas. Gravitācijas un leņķiskais impulss savāc atlikušo materiālu ap protostaru plakanā gāzes un putekļu diskā. Pārvietojoties pa šo disku, materiāla daļiņas saduras un "pielīp kopā" ar elektromagnētisko spēku. Vairāku miljonu gadu laikā daļiņas pāraug graudos, oļos, laukakmeņos un galu galā kilometru garumā plakanos simbos.
Šajā brīdī notiek gravitācijas pārņemšana, notiek planētu izmēru sadursmes un telpa tiek pilnībā notīrīta no putekļiem, kā rezultātā veidojas vairākas pilnvērtīgas planētas. Līdz tam laikam, kad tas notiek diska iekšējā daļā, lielāko daļu no tā iegūtās gāzes vai nu zvaigzne absorbē, vai arī izpūstas no tā zvaigžņu vēja. Gāzes trūkums nozīmē, ka iekšējās planētas lielākoties paliek akmeņainas un ar plānu atmosfēru.
Šis augšanas process, kas pazīstams kā galvenā akrecija, ir ātrāks diska ārējās daļās, kur temperatūra ir pietiekami zema, lai iesaldētu ūdeni. Ledus šajā gadījumā papildina putekļus, kas ļauj protoplaneetām ātrāk nostiprināties. Rezultāts ir ciets kodols, kas ir piecas līdz desmit reizes smagāks nekā Zeme - pietiekami ātrs, lai protoplanētiskā diska ārējais reģions paliktu bagāts ar gāzi. Gravitācijas ietekmē kodols "no sevis" uz sevi ievelk gāzi, izveidojot tādu gāzes gigantu kā Jupiters. Starp citu, viens no kosmosa kuģa Juno, kurš šī mēneša sākumā lidoja uz Jupiteru, mērķiem ir noteikt, vai planētai patiešām ir masīvs kodols.
Reklāmas video:
Šis scenārijs rada planētu sistēmu, kas līdzīga mūsējai: zvaigznei tuvu ir mazas klinšainas planētas ar plānu atmosfēru; tieši tur, kur atrodas sniega līnija, ir tāds gāzes gigants kā Jupiters (kur temperatūra ir pietiekami auksta, lai ūdens sasaltu), un citi milži pamazām parādās lielākos attālumos, un tie izrādās mazāki, jo orbītā pārvietojas lēnāk un vajag vairāk laiks, lai savāktu protoplanetārā diska materiālu. Visas planētas paliek aptuveni tur, kur tās izveidojās, un pārvietojas riņķveida orbītās vienā plaknē. Jauki un glīti.
Bet karsto Jupiteru atklāšana liecināja, ka kaut kas nopietni neatbilst teorijai. Planēta ar orbītu, kas prasa tikai dažas dienas, ir ļoti tuvu zvaigznei, kas ierobežo materiāla daudzumu, ko tā var veidot. Likās nesaprotami, vai šādā vietā var izveidoties gāzes gigants. Un neizbēgams secinājums ir tāds, ka šādai planētai vajadzēja izveidoties ievērojami tālāk no tās zvaigznes.
Teorētiķi ir nākuši klajā ar diviem iespējamiem mehānismiem planētas klāja pārkārtošanai. Pirmajam, kas pazīstams kā migrācija, ir nepieciešams daudz materiālu, lai tas paliktu diskā pēc milzu planētas veidošanās. Planētas gravitācija izkropļo disku, izveidojot lielāka blīvuma apgabalus, kas savukārt uz planētu rada gravitācijas efektu, liekot tai pakāpeniski dreifēt uz iekšu zvaigznes virzienā.
Šai idejai ir pierādījumi. Kaimiņu planētas bieži atrodas stabilā gravitācijas "saišķī", kas pazīstams kā orbītas rezonanse - tas ir, to orbitāles garums ir saistīts kā mazi veseli skaitļi. Piemēram, kad Plutons divreiz apgriežas ap Sauli, Neptūnam ir laiks apgriezties tieši trīs reizes. Ir maz ticams, ka tas notika nejauši, tāpēc tas, visticamāk, notika migrācijas laikā, tādējādi nodrošinot planētām papildu gravitācijas stabilitāti. Migrācija mūsu Saules sistēmas agrīnajā vēsturē varētu izskaidrot citas dīvainības, ieskaitot Marsa un asteroīda jostas mazo izmēru. Lai tos izskaidrotu, teorētiķi izvirzīja "lielas novirzes" hipotēzi, kurā Jupiters sākotnēji izveidojās tuvāk Saulei, pēc tam tas dreifēja uz iekšu gandrīz uz Zemes orbītas, savācot materiālu un tādējādi "atņemot" Marsam no tā.un pēc Saturna veidošanās gravitācijas un gāzes spiediena ietekmē diska iekšējā reģionā tas atgriezās atpakaļ, pa ceļam "ievedot" putekļu paliekas un plaknesimimālijas asteroīda jostā.
Daži modelētāji šādus scenārijus uzskata par nevajadzīgi sarežģītiem. “Es patiešām ticu Oksma skuveklim (“To, ko var izdarīt ar mazāk [pieņēmumiem], nevajadzētu darīt ar vairāk,”- aptuveni tulk.),” Saka Gregs Lavenlins, Kalifornijas universitātes Santakrusas astronoms.). Laughlin apgalvo, ka planētas, visticamāk, izveidojās tajā pašā vietā, kur mēs tās tagad redzam. Viņš saka, ka netālu no viņu zvaigznes varētu veidoties lielas planētas, ja protoplanētu diskos būtu daudz vairāk materiālu, nekā tika domāts iepriekš. Joprojām var notikt zināma planētas kustība - pietiekami, lai izskaidrotu, piemēram, rezonanses, bet "tas ir pēdējais kniebiens, nevis galvenais cauruļvads," saka Laughlin.
Bet citi teorētiķi saka, ka vienkārši nevar būt pietiekami daudz materiālu, lai veidotu planētas, kas atrodas tik tuvu zvaigznēm, piemēram, 51 Pegasus b un citas, kas atrodas vēl tuvāk. “Viņi nevarētu izveidoties viņu vietā,” atklāti saka fiziķis Džošua Vīns no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta. Un ievērojama daļa eksoplanētu, kas atrodas iegarenās, slīpajās vai pat apgrieztajās orbītās, šķiet, arī norāda uz kaut kādu planētas sistēmas maiņu.
Lai izskaidrotu šīs dīvainības, teorētiķi citē "tuvcīņas ieroci" - smagumu, nevis sedatīvu migrāciju. Materiāli bagātais protoplanetārā disks varētu radīt daudzas planētas, kas atrodas tuvu viena otrai, kur gravitācijas ietekme varētu padarīt dažu no tām orbītas tuvu zvaigznei, sasvērties un pat pilnībā izmest planētu no sistēmas. Vēl viens potenciālais iznīcinātājs ir zvaigzne pavadone iegarenā orbītā. Lielākoties tas ir pārāk tālu, lai būtiski ietekmētu planētu sistēmu, taču netālu no tā tas varētu ievērojami "satricināt" planētu orbītas. Vai arī, ja vecāku zvaigzne ir cieši saistītu zvaigžņu kopas dalībniece, blakus esošā zvaigzne var nonākt pietiekami tuvu, lai pārbīdītu tās orbītas vai pat “satvertu” vienu vai vairākas planētas sev."Ir daudz veidu, kā sagraut planētu sistēmu," saka Wynn.
Negaidītu secinājumu izdarīja pētnieki, kuri izpētīja Keplera atrastās planētas - izrādījās, ka 60% superzemju, kuras riņķo ap saulei līdzīgām zvaigznēm, ievērojami atšķiras no tā, ko novērojam Saules sistēmā, un tām ir nepieciešams pārdomāt esošās teorijas. Lielākā daļa superzemes, kas lielākoties ir cietas ar nelielu gāzes daudzumu, seko orbītām tuvāk zvaigznēm nekā Zeme, un bieži zvaigznēm ir vairāk nekā viena šāda planēta. Piemēram, Kepler-80 sistēmā ir četras virszemes zemes, kuru visu orbītas ir 9 dienas vai mazāk. Parastā teorija uzskata, ka iesūkšanās sniega līnijas iekšienē ir pārāk lēna, lai iegūtu kaut ko tik lielu. Bet superzemes ir reti sastopamas rezonējošās orbītās, kas liek domāt, ka tās nevis migrēja, bet veidojās uzreiz tur, kur mēs atrodamies.
Pētnieki piedāvā jaunus veidus, kā atrisināt šo problēmu. Viena ideja ir paātrināt akreciju, izmantojot procesu, kas pazīstams kā akmeņu akrecija. Ar gāzi bagātajam diskam ir liela ietekme uz oļu lieluma objektiem. Tas parasti tos palēnina, liekot viņiem slīdēt tuvāk zvaigznei. Bet, jo tuvāk tie ir zvaigznei, jo lielāks ir blīvums, un tā rezultātā plazmas simbolu veidošanās ātrums palielinās, samazinoties attālumam līdz zvaigznei. Bet paātrināta iestrāde un ar gāzi bagāts disks rada patstāvīgu problēmu: tādā gadījumā superzemēm vajadzētu iegūt biezu atmosfēru, pārsniedzot noteiktu lielumu. "Kā jūs apturējat viņus kļūt par gāzes milžiem?" jautā astrofiziķis Romāns Rafikovs no Papildu studiju institūta Prinstonā, Ņūdžersijā.
Kalifornijas Bērklijas universitātes astronoms Jevgeņijs Čans saka, ka nav nepieciešams paātrināt akrēciju, kamēr disks ir piesātināts un bagāts ar gāzi. Pēc viņa teiktā, iekšējais disks, kas ir 10 reizes blīvāks par to, kas veidoja Saules sistēmu, varētu viegli izveidot vienu vai vairākas superzemes, kas parādīsies protoplanētiskā diska pēdējās dienās, kad lielākā daļa gāzes jau ir izkliedēta.
Daži sākotnējie novērojumi no lielā mm / submimetra ALMA teleskopa Čīles ziemeļos atbalsta šo priekšlikumu. ALMA prot vizualizēt radiosakaru emisijas no putekļiem un grants protoplaneta diskos, un daži diski, ko tā līdz šim ir pētījusi, šķiet samērā masīvi. Bet novērojumi vēl nav galīgā patiesība, jo ALMA vēl nav pilnībā darbojas, un to var izmantot tikai disku ārējo daļu novērošanai, nevis reģioniem, kur atrodas superzemes. “Mēs varēsim redzēt interjera zonas, kad ALMA varēs izmantot visas savas 66 antenas,” saka Čana.
Čangam ir izskaidrojums arī citiem Keplera atklājumiem: superpuffi, rets un tikpat problemātisks planētu tips, kas ir vieglāki par superzemēm, bet šķiet milzīgi, ņemot vērā to sulīgo atmosfēru, kas veido 20% no viņu masas. Tiek uzskatīts, ka šādas planētas veidojas ar gāzi bagātā diskā. Bet iekšējā diskā šādu karstu gāzes tilpumu nevar noturēt protoplanētas vājā gravitācijas spēki, tāpēc ārējā diska aukstā un blīvā gāze ir ticamāka vieta šādu planētu izcelsmei. Čana piedēvē viņu tuvu zvaigznei orbītas migrācijai, apgalvojumu, kas pamatots ar faktu, ka superpuffi bieži tiek ieslodzīti rezonējošās orbītās.
Līdz šim eksoplanētu izpētē lielākā uzmanība tika pievērsta planētu sistēmu iekšējām daļām līdz aptuveni attālumam, kas līdzvērtīgs Jupitera orbītā, tā vienkāršā iemesla dēļ, ka visas esošās eksoplanetu noteikšanas metodes neļauj tās atrast tālākā attālumā no zvaigznes. Divas galvenās metodes - zvaigžņu vibrāciju mērīšana, ko izraisa planētu gravitācijas ietekme, un zvaigznes diska periodiskas tumšības mērīšana, kad planētas iet tam cauri - ļauj atrast lielas planētas tuvu orbītā. Pašu planētu attēlu uzņemšana ir ārkārtīgi sarežģīta, jo to vājo gaismu gandrīz ir izslāpusi gaisma no zvaigznēm, kas var būt miljardu reizes spožāka.
Bet, izmantojot lielāko daļu pasaules lielāko teleskopu, astronomi varēja redzēt vairākas planētas. Spectropolarimetriskā augsta kontrasta sistēma (SPHERE) un Twin Planet Imager (GPI), kas pievienoti lieliem teleskopiem Čīlē, ir aprīkoti ar sarežģītām maskām, ko sauc par koronogrāfiem, lai izslēgtu zvaigžņu gaismu. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka planētas, kas atrodas tālu no savām zvaigznēm, ir tām vienkāršākie mērķi.
Viena no agrākajām un pārsteidzošākajām planētu sistēmām, ko atklāj tiešais attēlveidošana, ir tā, kas atrodas ap HR 8799, kur četras planētas atrodas no zvaigznes attālumos no Saturna orbītas līdz vairāk nekā divas reizes virs Neptūna orbītas. Pārsteidzošākais ir tas, ka visas četras planētas ir milzīgas, vairāk nekā piecas reizes pārsniedzot Jupitera masu. Saskaņā ar teoriju planētas šādās tālās orbītās pārvietojas tik lēni, ka tām vajadzētu augt ar gliemeža ātrumu un uzkrāt masas, kas ir ievērojami mazākas nekā Jupitera, līdz brīdim, kad pazūd gāzes un putekļu disks. Un tomēr viņu "labās" apļveida orbītas liek domāt, ka tās uzreiz uz tām izveidojās un uz tām neemigrēja no zonām, kas tuvāk zvaigznei.
Šādi tālu milži atbalsta visradikālāko teoriju, kurā dažas planētas veido nevis akrecija, bet gan tā saucamā gravitācijas nestabilitāte. Šim procesam ir nepieciešams ar gāzi bagāts protoplanētiskais disks, kas sava gravitācijas ietekmē sašķeļas “salipumos”. Šīs gāzes uzkrāšanās galu galā apvienojas un sabrūk gāzes planētās, neveidojot cietu kodolu. Modeļi pieņem, ka mehānisms darbosies tikai noteiktos apstākļos: gāzei jābūt aukstai, tai nevajadzētu griezties pārāk ātri, un saspiestajai gāzei jāspēj efektīvi noņemt siltumu. Vai šī teorija varētu izskaidrot planētas ap HR 8799? Rafikovs saka, ka tikai divas ārējās planētas ir pietiekami tālu un aukstas. "Tā joprojām ir diezgan slēpta sistēma," viņš saka.
Agrāk protoplanetāro disku radioteleskopa novērojumi ir snieguši zināmu atbalstu gravitācijas nestabilitātes teorijai. Jutīgi pret aukstu gāzi, teleskopi atrada diskus, kas “izšļakstīti” ar gāzes uzkrāšanos. Bet jaunākie ALMA attēli glezno atšķirīgu attēlu. ALMA ir jutīga īsākā viļņu garumā, kurā diska vidusplaknē izdalās putekļu graudi, un tās 2014. gada zvaigznes HL Tauri un TW Hydrae attēli parādīja gludus simetriskus diskus ar tumšiem apļveida "spraugām", kas sniedzas tālu pāri Neptūna orbītā (sk. attēlu zemāk). “Tas bija pārsteidzošs pārsteigums. Disks nebija haotisks, tam bija patīkama, regulāra, skaista uzbūve,”stāsta Rafikovs. Šīs nepilnības, kas liek domāt par planētām, kuras tās izveidoja,skaidri runājiet par akreditācijas modeli, kas ir trieciens gravitācijas nestabilitātes modeļa atbalstītājiem.
Ir pāragri pateikt, kādi citi pārsteigumi būs GPI un SPHERE. Bet reģions starp attālākajiem planētu sistēmu reģioniem un tuvējām zvaigžņu vidēm ar karstām Jupiteriem un superzemēm joprojām ir spītīgi nepieejams: pārāk tuvu zvaigznei tiešai vizualizācijai un pārāk tālu netiešām metodēm, kuru pamatā ir vecāku zvaigznes svārstības vai tumšošana. Rezultātā teorētiķiem ir grūti iegūt pilnīgu priekšstatu par to, kā izskatās eksoplanetu sistēmas. "Mēs balstāmies uz fragmentāriem un nepilnīgiem novērojumiem," saka Laughlin. "Šobrīd visi pieņēmumi, iespējams, ir nepareizi."
Astronomiem ilgi nebūs jāgaida jauni dati. NASA nākamgad sāks Exoplanet attēlveidošanas satelītu (TESS), un tajā laikā ir paredzēts, ka arī Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) uzsāks Exoplanet raksturojošo satelītu (CHEOPS). Atšķirībā no Keplera, kurš izpētīja visdažādākās zvaigznes, vienkārši identificējot eksoplanetes, TESS un CHEOPS koncentrēsies uz zvaigznēm, kas atrodas tuvu Saulei, ļaujot pētniekiem izpētīt migrējošo terra incognita (nezināmas zemes - apm. Transl.). Tā kā mērķa zvaigznes atrodas netālu no Saules sistēmas, uz zemes bāzētiem teleskopiem jāspēj novērtēt atklāto planētu masu, ļaujot pētniekiem aprēķināt to blīvumu un zināt, vai tās ir cietas vai gāzveida.
Džeimsa Veba teleskops, kas sāks darboties šogad, varēs iet vēl tālāk, analizējot zvaigznes, kas iet caur eksoplanētas atmosfēru, gaismu, lai noteiktu tā sastāvu. “Kompozīcija ir svarīga veidošanas atslēga,” saka Macintosh. Piemēram, smago elementu meklēšana virszemes atmosfērā var norādīt, ka planētu kodolu ātrai veidošanai ir nepieciešams disks, kas bagāts ar šādiem elementiem. Nākamajā desmitgadē tādi kosmosa kuģi kā TESS un CHEOPS pievienosies eksoplanetu meklēšanai, kā arī jaunās paaudzes milzīgajiem zemes teleskopiem ar spoguļiem 30 metru vai vairāk.
Ja vecās teorijas līdz pēdējam palīdzēja modelētājiem palikt uz kājām, tad jaunu atklājumu spiediena ietekmē šis pamats sāk drupināt, un pētniekiem nāksies svīst, lai paliktu uz kājām. “Daba ir gudrāka par mūsu teorijām,” saka Rafikovs.
EGORS MOROZOVS