Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

По мере формирования планеты взаимодействуют с диском. Характер этого взаимодействия зависит от массы планеты и поверхностной (проинтегрированной по высоте) плотности в диске. Важнейшим процессом является миграция планет, позволяющая объяснить как ряд деталей строения Солнечной системы, так и существование таких планет, как горячие юпитеры и горячие нептуны, располагающихся очень близко от своих звезд, в местах, где они никак не могли сформироваться.

За снеговой линией возможно формирование ледяных тел.

Миграция происходит из-за обмена энергией и моментом импульса (орбитальным моментом) между планетой и диском. В принципе, в результате такого взаимодействия планета может как приближаться к звезде, так и удаляться (ситуация также может осложниться из-за присутствия второй близкой массивной планеты). Но обычно миграция в газовом диске направлена к звезде. Выделяют два основных типа миграции. В первом случае планета недостаточно массивна, чтобы сильно изменить распределение вещества в диске. Воздействуя на газ, она формирует спиральные структуры внутри и снаружи своей орбиты, а также меняет распределение газа прямо на своей орбите (формируется так называемая подковообразная структура). В итоге, как правило, планета медленно движется внутрь, к звезде. Темп миграции при этом режиме зависит от массы планеты. Для массы порядка земной скорость достаточно мала. А вот планеты в несколько раз тяжелее могут мигрировать под действием данного механизма очень быстро и даже выпадать на звезду.

Из-за взаимодействия с протопланетным диском планеты меняют свое положение.

Интересно, что своей гравитацией достаточно массивная планета «расталкивает» газ на своей орбите, формируя в итоге заметную щель в диске. Это происходит следующим образом: частицы на более низкой (чем планета) околозвездной орбите имеют бóльшую (чем планета) скорость и при взаимодействии с планетой отдают ей часть энергии и тормозятся, опускаясь на еще более низкую околозвездную орбиту и тем самым еще больше удаляясь от планеты. С частицами на более высоких околозвездных орбитах происходит аналогичный процесс, но планета, которая двигается быстрее, теперь разгоняет частицу (передает ей энергию), в результате чего частица переходит на более высокую орбиту и тоже удаляется от планеты. Таким образом планета пытается сформировать вокруг себя пустое пространство, хотя притекающий сверху и снизу (по толщине диска) газ мешает добиться этого в полной мере.

По мере роста массы планеты щель становится все шире, пока наконец ее ширина не достигает толщины диска. Обычно это происходит при массе планеты порядка нескольких нептунианских. Теперь вещество не может притекать сверху и снизу, и на орбите планеты в диске образуется видимая щель. Такие образования действительно наблюдаются в протопланетных дисках (они недавно были обнаружены при наблюдении с помощью системы телескопов ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Атакамская миллиметровая/субмиллиметровая антенная решетка, см. раздел 13.4 «Радиотелескопы»). Это приводит к совершенно новому, второму, режиму миграции.

Миграция планет необходима для объяснения существования горячих юпитеров.

Миграция второго типа, которая начинается после возникновения щели в диске на орбите планеты, происходит медленнее и практически не зависит от планетной массы – все в основном определяется свойствами диска. При этом может продолжаться рост планетной массы, поскольку она не полностью отделена щелью от двух краев диска: между ними и планетой переброшен «мост», по которому продолжает течь вещество.

После исчезновения газового диска планеты и планетезимали продолжают взаимодействовать друг с другом.

Существуют и другие режимы миграции (равно как и модификации уже перечисленных). Эта область еще недостаточно изучена и с точки зрения теории, и с точки зрения наблюдательных данных. Как бы то ни было, в результате миграции в планетном диске на момент его рассеяния (т. е. примерно спустя 10 млн лет после рождения звезды) положения планет могут существенно отличаться от первоначальных. Кроме того, значительная миграция самых массивных планет ближе к звезде естественным образом приводит к изменениям орбит всех более легких тел, встречающихся им на пути, переводя их на более низкие орбиты или выбрасывая из внутренних частей системы. Анализ архитектуры сотен известных планетных систем показывает, что в среднем ближе к звезде все равно оказываются легкие планеты, даже если происходила существенная миграция самых массивных из них. По-видимому, это связано и с особенностями миграции, и с распределением планет разных масс по первоначальным положениям орбит.