Эволюция Вселенной и происхождение жизни - [193]

Как формируются планеты.

Стандартный сценарий формирования планет (см. главу 29) объясняет особенности Солнечной системы и вообще претендует на универсальность. Деление планет на внутренние каменистые и внешние газовые отражает распределение температуры в прото-планетном диске, а именно — где она выше или ниже необходимой для образования водяного льда. Но в этом сценарии невозможно объяснить формирование гигантских газо-жидких планет близко от звезды. Поэтому экзопланеты с орбитальным радиусом а < 0,4 а. е. представляют серьезную проблему. Еще большей проблемой являются «горячие юпитеры» с а < 0,05 а. е., которые составляют 10 % всех известных экзопланет. Решение этой загадки еще в 1980 году предложили Питер Голдрайх и Скотт Тремейн. Они предположили, что планета, сформировавшись в протопланетном диске, затем могла бы мигрировать в результате обмена моментом импульса между самой планетой и газовым диском. Компьютерное моделирование показало, что такая миграция может происходить быстро. Планета перемещается внутрь, потому что действующий на нее со стороны внешних частей диска тормозящий момент больше, чем ускоряющий момент со стороны его внутренних частей. Эта быстрая миграция (I типа) происходит за время не более одной десятой времени жизни аккреционного диска. Миграция другого рода (II типа) случается, если планета стала настолько массивной, что расчистила пространство вдоль своей орбиты в аккреционном диске. После этого планета перемещается медленно; при низкой вязкости диска ее движение по радиусу может вообще остановиться. Этими процессами можно объяснить, как горячие юпитеры подобрались близко к звездам солнечного типа. Разумеется, должен существовать и механизм остановки миграции, например приливный или магнитный момент сил звезды, создающий внутренний край аккреционного диска, или же полная диссипация самого диска (рис. 32.4).

Рис. 32.4. Пылевой диск вокруг молодой звезды, находящейся на расстоянии 320 световых лет в созвездии Весы. В этом диске могут формироваться планеты, но на его структуру влияют также и две соседние звезды этой тройной системы. Темное пятно — это область, где свет звезды был закрыт маской коронографа космического телескопа «Хаббл». С разрешения NASA, М. Clampin (STScI), И. Ford (JHU), G. Illingworth (UCO/Lick), J. Krist (STScI), D. Ardila (JHU), D. Golimowski (JHU), ACS Science Team и ESA.

Сценарий планетной миграции, как и стандартный аккреционный сценарий, предсказывают практически круговые орбиты пла-нет, как в Солнечной системе. Однако в экзопланетных системах мы видим вытянутые орбиты. Проще всего это можно было бы объяснить сильным гравитационным взаимодействием двух планет, попавших на резонансные орбиты. В этом случае эффект может возрастать нелинейно и в некоторый момент приводить к изменению орбит. Такие изменения могут быть умеренными, что, вероятно, и случилось с планетами-гигантами Солнечной системы. Но могут произойти и драматические изменения: одна из планет может быть выброшена из системы или же переведена на очень вытянутую орбиту.

Итак, мы видим, что исследования экзопланет сейчас развиваются очень активно. Пока еще мы не можем с полной уверенностью судить о том, какого типа планеты в каких условиях формируются. К августу 2010 года число экзопланет превзошло 475. Большинство из них — гиганты.

На каких планетах возможна жизнь? Зоны жизни

Чаще других открываемые газовые гиганты, близкие к своей звезде, кажутся совершенно непригодными для жизни. Если даже в их атмосферах обнаружатся вода, кислород или другие важные атомы или простые молекулы, то все равно для жизни там нет места. Однако не так давно были найдены две планеты, которые впервые могут оказаться, хотя бы в принципе, пригодными для жизни, пусть и с узкой зоной комфорта.

В 2005 году сообщалось о планете, обращающейся вокруг Gliese 581. Это была планета с массой Урана и орбитальным периодом около 5,3 суток. Как мы уже говорили, в 2007 году в этой же системе открыли еще две планеты с массами 5 и 7 масс Земли. Самое интересное заключается в том, что обе новые планеты расположены в зоне жизни красного карлика Gliese 581. Первая из них, вероятно, синхронно вращается в результате приливного захвата, а вторая находится вблизи границы зоны жизни.

Когда мы говорим о жизни, удобно ограничиться некоторыми простыми требованиями. В частности, условия на планете должны быть такими, чтобы вода оставалась в жидком состоянии какое-то разумное время. Она может замерзать зимой, и мы знаем, что для жизни это не так уж страшно, но она никогда не должна закипать. При нормальном атмосферном давлении температурный диапа-зон для жидкой воды составляет от о до 100 °C. Точка замерзания почти нечувствительна к изменению давления, а вот точка кипения весьма чувствительна. Если бы давление воздуха удвоилось, температура кипения стала бы равной 121 °C. Температурный диапазон от о до 50 °C выглядит наиболее подходящим не только для жизни, но и для стабильного водного мира.

Если мы знаем светимость звезды и расстояние от нее до планеты, мы можем оценить температуру планеты в состоянии теплового равновесия. При этом нужно учитывать альбедо (отражательную способность) и вращение планеты. Немалую роль при оценке температуры на поверхности играет и парниковый эффект, но его трудно определить без дополнительной информации о планете. В Солнечной системе, приняв для альбедо значение 0,5 (среднее между значениями Венеры и Земли), предположив медленное вращение планеты (как у Земли и Марса) и нулевой парниковый эффект, получим зону жизни от 0,75 до 1,05 а. е. Если альбедо равно 0,2, как у Марса, то зона жизни лежит между 0,95 и 1,32 а. е. Расстояние Земли от Солнца находится как раз в этих пределах. Увеличив альбедо, мы можем приблизить зону жизни к Солнцу, а уменьшив — отдалить ее. Однако нужно помнить и о парниковом эффекте.