Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Чтобы спровоцировать столь мощные столкновения, нужен массивный гравитационный «громила», который будет изменять орбиты зародышей планет и планетезималей. Появиться он может в результате превращения зародышей планет в газовые гиганты за снеговой линией.

Даже если cкопление крупных осколков горной породы, движущихся по орбите вокруг звезды, и является отличной основой для процесса планетообразования, этому множеству камней еще очень далеко до планеты. Чего ему не хватает, так это верхнего газового слоя в виде атмосферы.

В самом начале своего существования наши планеты были крошечными пылинками во власти газового диска. Увлекаемые потоком газа, эти твердые частички постоянно рисковали угодить в гибельные объятия Солнца, пока не вырастали настолько, чтобы преодолевать сопротивление газа.

Когда они достигали размера зародыша планеты, происходила смена ролей с точностью до наоборот: теперь уже газ рисковал оказаться в ловушке их гравитационного притяжения. Будучи ограничен в перемещениях пространством в непосредственной близости от зародыша, газ обволакивает каменистое ядро, образуя первую примитивную атмосферу.

Подобно твердым частицам в протопланетном диске, газ не только обращается по орбите вокруг звезды, он еще и совершает хаотическое движение. Скорость этого движения определяется температурой. Именно это заставляет раздуваться шар с горячим воздухом: при нагревании скорость газа увеличивается, и молекулы ударяются о ткань оболочки сильнее, заставляя шар расширяться. Когда скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения зародыша планеты, становится выше скорости хаотического движения, газ оказывается заперт и образует атмосферу.

С ее появлением растущему зародышу планеты становится проще сгребать планетезимали меньшего размера. Входя в атмосферу, каменистые тела испытывают сопротивление, похожее на сопротивление воздуха при падении парашютиста. Теряя скорость, планетезималь легче притягивается к поверхности зародыша планеты и слипается с ядром при столкновении с ним.

При торможении планетезималей также выделяется тепло. Как и в случае с метеорами, которые в атмосфере Земли превращаются в раскаленные «падающие звезды», спускающиеся к поверхности планетезимали нагреваются по мере вынужденного замедления. Эта энергия разогревает атмосферу и ускоряет хаотическое движение молекул газа. Хотя этого ускорения обычно недостаточно, чтобы высвободить атмосферу из гравитационных тисков зародыша планеты, оно обеспечивает стабилизацию газа относительно гравитационного притяжения и не дает ему сжиматься. Когда гравитация уравновешивается нагревом газа, атмосфера и не расширяется, и не сжимается. Это состояние стабильности называют гидростатическим равновесием.

По мере роста зародыша планеты за счет аккреции планетезималей его гравитационное притяжение увеличивается. В результате гидростатическое равновесие на время нарушается, а атмосфера притягивается ближе к планете. Сжимаясь, газ нагревается и снова уравновешивает гравитационное притяжение, вновь достигая стабильного состояния. Вследствие расширения сферы действия гравитационных сил и высвобождения места в результате сжатия газа толща атмосферы увеличивается за счет проникновения в нее нового газа.

Атмосфера, захваченная зародышем планеты с массой, составляющей одну десятую массы Земли (предполагается, что именно такой зародыш находился в то время там, где сейчас располагается Земля), всегда намного меньше массы твердого вещества планеты. Таким образом, газовый верхний слой способствует росту зародыша планеты, но не оказывает решающего влияния на эволюцию планеты. Стоит, однако, отдалиться от Солнца и заглянуть за снеговую линию, как перед нами предстает совершенно другая картина.

В меньшей степени подвергаясь воздействию гравитационного притяжения Солнца, более крупные ядра в пространстве вокруг текущего положения Юпитера способны удерживать атмосферы существенно большего размера — настолько большие, что тепла, выделяемого при проникновении в них планетезималей, недостаточно для изменения массы газа.

Вопрос о том, когда именно это происходит, до сих пор вызывает споры. Принято считать, что полное равновесие может сохраняться до тех пор, пока масса атмосферы не сравняется с массой твердого ядра зародыша планеты. Однако масса может быть и меньшей, если мы учтем частичное испарение в атмосфере проникающих извне планетезималей на их пути к поверхности зародыша планеты, в результате которого испарившийся материал попадает в газ. Более тяжелые элементы, образующие лед и горные породы в составе планетезимали, выступают в роли хладагентов, обеспечивая быстрое снижение температуры газа. Это приводит к замедлению движения газа и нарушению баланса в пользу гравитации.