Вокруг Света: Журнал «Вокруг Света» №06 за 2009 год

Гипотезу образования гигантов путем аккреции газа на крупную твердую протопланету предложил в 1972 году Аластер Кэмерон, и сегодня ее придерживаются большинство астрономов. Правда, сам Кэмерон довольно быстро охладел к своей идее и уже в 1978 году предложил другую: планеты-гиганты возникают в результате развития гравитационной неустойчивости во внешней части диска, из-за которой значительная часть газа прямо на орбите вокруг звезды теряет устойчивость и сжимается в одну или несколько гигантских планет. Подобным образом, вероятно, образуются и двойные звезды.

Серьезные аргументы есть как за, так и против обеих моделей. Критики модели неустойчивости говорят, что ей требуются несколько более массивные протопланетные диски, чем обнаруживаются в наблюдениях. Зато планеты-гиганты появляются в ней не через миллионы лет, а почти сразу, и это позволяет объяснить некоторые особенности планетных систем, которые представляют трудности для модели аккреции.

Дискуссии вокруг происхождения гигантов продолжаются, и нельзя исключить, что в разных случаях могут работать оба механизма, предложенные Кэмероном. Однажды журналист спросил Джорджа Уэзерилла: «Если бы Санта-Клаус подарил вам ответ на любой вопрос, что бы вы захотели узнать?» — «Я бы поинтересовался, откуда взялся Юпитер», — ответил тот.

Пастухи-мигранты

Рождение гиганта — важный этап становления планетной системы. Своим притяжением он воздействует на движение газа и твердых составляющих диска, влияя тем самым на ход формирования других планет. Например, в Солнечной системе Юпитер помешал образоваться планете на месте пояса астероидов. Его гравитационные возмущения привели к тому, что планетезимали в этой зоне сталкивались на слишком больших скоростях и, вместо того чтобы сливаться, наоборот, дробились на части.

Еще более серьезные последствия возникают, когда гигантская планета начинает мигрировать по системе, постепенно меняя свою орбиту. При движении внутри газового диска растущий гигант порождает характерную волну плотности, которая напоминает выброс из-под колес мотоцикла, делающего вираж на грунтовом треке. Эта волна, постоянно сопровождающая планету, отбирает у нее энергию движения, заставляя подходить все ближе к звезде, пока не остановится у внутреннего края газового диска — без газа миграция останавливается.

В таких гигантских межзвездных газопылевых комплексах запускается процесс формирования звезд, а с ними и планет. Фото: NASA, ESA

А внутри сжимающейся орбиты, как будто убегая от наступающего гиганта, теснится множество планетезималей, которых он сгоняет, как пастух стадо, из холодной внешней области системы во внутреннюю. В основе этого процесса лежит известное из небесной механики явление орбитальных резонансов: малые небесные тела тяготеют к орбитам, периоды обращения по которым соотносятся с периодом планеты-гиганта как небольшие целые числа, скажем 1:2 или 2:3. Не попадающие «в такт» объекты часто оказываются в непосредственной близости от «сурового начальства» и получают от него гравитационные «пинки», пока не попадают на одну из резонансных орбит. Планеты-гиганты, вызывающие такое сгущение планетезималей на определенных орбитах, принято называть «пастухами». Благодаря им взаимодействие между планетезималями усиливается и ускоряет рост планет.

Аналогичные резонансные семейства планетезималей возникают снаружи от орбиты гиганта. Весьма вероятно, что Сатурн в Солнечной системе образовался из планетезималей, которые «пас» Юпитер. И если бы не он, Сатурн мог бы просто не успеть сформироваться вовремя, чтобы собрать достаточную массу газа. Ведь уже через несколько миллионов лет после образования протопланетного диска газ из него выдувается разгоревшейся центральной звездой. Вероятно, поэтому Уран и Нептун, образовавшиеся из планетезималей, которые «пас» уже Сатурн, так и не смогли сравняться с ним по массе.

Жизнь под опекой гигантов

И это еще не все. Если бы не Юпитер, на Земле, скорее всего, не было бы воды. Ведь наша планета формировалась в центральной части диска, внутри линии льда, где вода находилась в газообразном состоянии. Каким же образом она появилась на Земле? Единственный вразумительный ответ — из планетезималей, которые образовались за линией льда, но благодаря Юпитеру попали в центральные области Солнечной системы. Когда же формирование планет завершилось, притяжение Юпитера постепенно очистило Солнечную систему от «строительного мусора» — оставшихся без дела планетезималей. Если бы не это, процесс интенсивной кометно-метеоритной бомбардировки Земли, возможно, не завершился бы в первый миллиард лет ее существования, и в таком случае развитие сложной жизни было бы значительно затруднено.