Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Глава 1 Фабрика за работой

В час пополуночи 8 февраля 1969 г. небо над штатом Чиуауа на севере Мексики озарилось светом огненного шара.

«Все вокруг залило светом – можно было разглядеть муравья на полу, – рассказывал впоследствии корреспонденту The Washington Post редактор местной газеты Гильермо Асунсоло. – Сияние было такое, что приходилось закрывать глаза».

Пылающая глыба с шумом разрезала атмосферу, пока не взорвалась над деревней Пуэблито-де-Альенде, разлетевшись на множество осколков по территории площадью 250 кв. км. Увидев такое зрелище, любой бы ужаснулся приближающемуся концу света. Но на самом деле объятый огнем объект был не предвестником нашей смерти, а свидетелем нашего рождения.

Твердые тела, проникающие в атмосферу Земли из космоса, называют метеороидами. Контакт с атмосферой земли губителен для куска горной породы, поскольку воздух оказывает куда большее сопротивление его полету, чем вакуум в космосе. Когда метеороид врезается в атмосферу, воздух быстро сжимается, что приводит к резкому повышению температуры. Окружающий космического пришельца воздух вспыхивает, превращая песчинки в «падающие звезды» – метеоры, а редкие глыбы большого размера – в огненные шары, болиды. Вероятность полного выгорания в таких экстремальных условиях весьма велика, поэтому большинство метеороидов до поверхности Земли никогда не долетает. Те, которым все-таки удается пережить все трудности опасного путешествия, в награду за стойкость переходят в категорию метеоритов.

Эффектный вход в атмосферу метеорита Альенде (названного так в честь деревни, над которой он взорвался) не мог пройти незамеченным. В район падения метеорита сразу же нагрянули ученые, к поискам обломков привлекли местных жителей и школьников. Группа полевых исследователей из Смитсоновского института в Вашингтоне за несколько недель после падения собрала около 150 кг метеоритного материала и передала его 37 лабораториям в 13 странах. Всего было собрано более 2 т материала самого разного веса– от крошечных фрагментов весом 1 г до громадной 110-килограммовой глыбы. Исходя из столь значительного объема находок можно было сделать вывод, что перед взрывом метеор был размером с автомашину. В результате активной работы по сбору осколков Альенде и их передачи ученым он заслужил звание «самого тщательно обследованного метеорита в истории». Однако повышенный интерес к нему объяснялся не только его аномально большим размером.

Все начало 1969 г. сотрудники научных лабораторий по всей Америке находились в состоянии напряженного ожидания – экипаж «Аполлона-11» должен был вот-вот доставить образцы лунных пород, собранные во время исторической высадки на Луне. И тут прямо у них под носом в Землю врезается еще один осколок горной породы из космоса. Когда извлеченные с места падения куски метеорита Альенде были исследованы с помощью лабораторного оборудования, которое к тому моменту уже было подготовлено к анализу внеземного материала и только ждало своего часа, обнаружилось, что это был не какой-нибудь там заурядный космический булыжник. Нет, вещество с белыми точками, из которого он состоял, оказалось углистым хондритом, то есть Альенде относился к редкому классу метеоритов, на который приходится менее 5 % всех падений. Этот класс состоит из самых первых объектов, из которых формировалась Солнечная система, а метеорит Альенде остается самым крупным представителем этого класса из всех когда-либо найденных на Земле.

Уникальность углистого хондрита в его древнем происхождении: когда вы держите его в руках, вы как будто смотрите на детскую фотографию самого дальнего предка. Эта горная порода сформировалась в самом начале истории нашей планеты. Но, в отличие от Земли, ей не удалось набрать достаточную массу для того, чтобы вырасти в самостоятельную планету. С помощью этого снимка, на котором в физической форме запечатлено самое начало нашего собственного существования, мы можем с большой точностью определить момент рождения нашего планетного окружения.

Как показывает лабораторный анализ, в метеоритах содержатся элементы, которые являются радиоактивными: атомы в них могут спонтанно превращаться в атомы другого элемента. Этот радиоактивный распад носит случайный характер, а значит, точно сказать, когда конкретный атом изменит свое состояние, невозможно. Однако есть значительное число атомов, изучая которые ученые могут с определенной долей уверенности определить время, которое требуется для того, чтобы половина из них распалась. Этот отрезок времени называют периодом полураспада элемента. То есть, если мы сможем узнать, какая часть радиоактивного элемента распалась, мы получим своего рода часы, с помощью которых мы сможем рассчитать, сколько времени прошло.

Одним из таких радиоактивных элементов, содержащихся в метеоритах, является рубидий-87 (обозначаемый как ⁸⁷Rb). Цифра 87 указывает на массу атомного ядра рубидия – центральной его части, состоящей из положительно заряженных частиц под названием «протоны» и частиц под названием «нейтроны», которые имеют ту же массу, что и протоны, но при этом не обладают электрическим зарядом. Когда атом ⁸⁷Rb распадается, один из его нейтронов становится протоном в ходе процесса, получившего название бета-распад. Результатом является атом стронция-87 (⁸⁷Sr), ядро которого имеет ту же массу, что и ⁸⁷Rb, но при этом в нем на один протон больше и на один нейтрон меньше.

Период, за который половина атомов ⁸⁷Rb распадается в ⁸⁷Sr, составляет 49,23 млрд лет. Он отлично подходит для оценки временных рамок образования планет. Если бы период полураспада был очень коротким (скажем, несколько лет), тогда атомы ⁸⁷Rb исчезли бы задолго до того момента, когда изучаемый осколок горной породы достиг поверхности Земли. С другой стороны, существенно большая продолжительность этого отрезка времени означала бы отсутствие такого количества атомов ⁸⁷Sr, которого было бы достаточно для проведения измерений. Поэтому достаточного уровня точности измерений методом радиоактивного датирования можно достичь в тех случаях, когда измеряемый период времени находится в промежутке от одной десятой периода полураспада до 10 периодов полураспада.

Измеряя текущее количество атомов ⁸⁷Rb в метеорите и количество атомов ⁸⁷Sr, образовавшихся в результате распада рубидия, ученые могут рассчитать, какая часть атомов распалась с момента формирования метеорита. Затем, зная период полураспада ⁸⁷Rb, они могут определить, сколько времени прошло с момента образования горной породы.

В случае с углистым хондритом, таким, например, как метеорит Альенде, полученный описанным способом возраст указывает на самое начало истории нашей планеты. Он равен 4 560 000 000 годам.

Благодаря метеориту Альенде мы знаем, когда зародилась наша планета. Но что именно тогда она из себя представляла, остается для нас загадкой. Углистый хондрит вряд ли можно сравнить с четкой фамильной фотографией, на которой видны лица всех предков. Скорее он похож на размытое селфи дальнего кузена с датой в виде наспех нацарапанных закорючек в нижнем углу. Не имея более четкого представления об условиях, в которых началось формирование нашей планеты, мы не сможем понять, есть ли у нас шанс найти второй такой мир.

И пусть с семейным фотографом нам не повезло, у нас все же есть один достоверный факт об эпохе, когда мы родились: 4,56 млрд лет назад наше Солнце появилось на свет. Оказывается, связи всего лишь с одним-единственным событием – завершившимся незадолго до того формированием нашей звезды – достаточно, чтобы понять, как образуется планета.

Если мы углубимся в прошлое еще на несколько миллионов лет, взяв за точку отсчета момент образования первобытного метеорита, мы окажемся в одном из самых холодных мест в Галактике. Место это – колыбель нашего Солнца: умопомрачительно холодное облако газа с температурой –263 °C. Именно в таких звездных колыбелях и зарождаются все звезды в нашей Галактике. Эти облака состоят преимущественно из водорода, а их массы приблизительно в 1000–1 000 000 раз превышают массу Солнца. Поскольку они образуются в Галактике, которая находится в постоянном движении, газ в облаках распределяется не равномерно, а постоянно перемещается и перемешивается, как пух в старой перине, собираясь в плотные сгустки, называемые ядрами. В результате концентрации большой массы в небольшом пространстве под действием гравитации ядро начинает сжиматься, что делает его еще более плотным и ускоряет его коллапс. По мере уплотнения газ нагревается и рождается звездный эмбрион – протозвезда.

Хотя солирующую партию здесь исполняет гравитация, она – не единственная сила, заставляющая вещество сжиматься. Увлекаемый вращением Галактики и взаимодействиями с соседними облаками, газ в облаке-колыбели также вращается. Подобно тому, как при катании на детской карусели вас выталкивает наружу, вращение газа помогает ему сопротивляться действию гравитации. Эта дополнительная сила удерживает газ, вращающийся с наибольшей скоростью в ядре, в стороне от коллапсирующей протозвезды. В результате этого процесса, похожего на работу пиццайоло, который крутит тесто в руках, пока не получится плоская пицца, вокруг звезды формируется вращающийся диск газа.

По мере того как газ перестает сжиматься и начинает охлаждаться, частицы пыли конденсируются внутри диска подобно кристалликам льда, образующимся при замерзании водяного пара. Эти крошечные песчинки сливаются с хаотичным скоплением пыли, которое уже присутствует в газовой облаке, образуя первые твердые тела вокруг нашего Солнца. Так начинается процесс формирования планеты. Из мельчайших строительных блоков на этой газово-пылевой фабрике, которую называют «протопланетным диском», собираются все более массивные объекты.

Видимая простота описываемого процесса кажется несколько подозрительной. Ведь если бы все происходило именно так, тогда вокруг каждой звезды при ее рождении появлялся бы ее собственный планетообразующий диск. Может ли процесс образования планет и правда быть настолько широко распространен во Вселенной?

Проверить это нетрудно – например, можно поискать протопланетные диски вокруг существующих сейчас молодых звезд. Проблема в том, что эти диски не светятся. В отличие от звезды в центре, которая активно разогревается, превращаясь в колоссальный пылающий шар, окружающий ее пылевой диск не может сам излучать свет. Но при этом пыль должна поглощать исходящую от звезды энергию. Энергия света звезды должна нагревать пыль в протопланетном диске точно так же, как лучи летнего солнца раскаляют капот автомобиля. Нагревшись, пыль должна выделять тепло в виде низкоэнергетического излучения инфракрасного спектра.

Человеческий глаз не чувствителен к инфракрасному излучению, но найти камеры, которые могут его регистрировать, не так уж и трудно. К сожалению, этот вид устройств, отлично подходящий для фиксации тепла, исходящего от ночного грабителя, невозможно просто направить в небо, чтобы обнаружить там протопланетный диск. Причина в том, что, хотя звезда нагревает диск, его температура все равно может опускаться намного ниже любого значения, которое можно встретить на Земле. Чтобы излучаемое самой камерой тепло не мешало работе, ее придется охладить до температуры ниже той, которая фиксируется в звездной колыбели. Кроме того, собственная атмосфера Земли очень хорошо поглощает инфракрасное излучение; в этом она легко даст фору упомянутому выше грабителю, убегающему с вашим новым телевизором. Поэтому лучшее место для размещения такого инструмента – космос.

Даже несмотря на то, что поддерживать низкие температуры при работе с космическими телескопами проще, использовать их для охоты за инфракрасным излучением все равно можно только при наличии дополнительного охлаждения. Обычно нужная температура достигается с помощью жидкого гелия, который медленно испаряется, поглощая окружающее его тепло и поддерживая температуру телескопа на уровне –270 °C. Когда гелий полностью испаряется, телескоп слегка нагревается до умеренно мягких –244 °C.

Как раз такими телескопами, чья задача заключается в поиске дисков вокруг молодых звезд, были телескопы «Инфракрасная космическая обсерватория» (Infrared Space Observatory) и космический телескоп «Спитцер» (Spitzer Space Telescope). Первый был запущен в 1995 г. Европейским космическим агентством и продолжал работать до 1998 г., пока не закончился гелиевый хладагент. «Спитцер» – одна из «Больших обсерваторий» NASA. В эту знаменитую группу спутников также входит космический телескоп «Хаббл». «Спитцер» был запущен в 2003 г., хладагент на нем был выработан в мае 2009-го, но телескоп продолжил работу в режиме ограниченной нагрузки при более высокой температуре. Результаты работы этих телескопов не оставляли сомнений: все звезды младше миллиона лет окружены пылевыми дисками. Если этого набора условий достаточно для формирования планет, то вокруг каждой новой звезды действительно могут образовываться новые миры.

Впрочем, проведенные исследования позволили сделать еще и другой вывод. Хотя у всех самых молодых звезд были диски, только 1 % звезд старше 10 млн лет по-прежнему имели тот набор условий, который требуется для формирования планет. Единственное толкование: формирование планет происходит в рамках определенного периода времени.

Исчезновение протопланетного диска может объясняться несколькими причинами. Самое захватывающее объяснение: весь диск превращается в планеты, в результате чего образуется целый хоровод новых миров. К сожалению, наблюдения за нашей Солнечной системой и за известными нам эзкопланетными системами показывают, что общая конечная масса планет составляет лишь 1 % от первоначальной массы диска, что заставляет задуматься о том, куда деваются остальные 99 %.

Еще одно вероятное объяснение заключается в том, что под действием гравитационных сил диск притягивается к близлежащим звездам, отрываясь от своего солнца. Это процесс действительно может иметь место в некоторых случаях, но он не настолько широко распространен, чтобы им можно было объяснить полное исчезновение всех протопланетных дисков: обычно звезды находятся слишком далеко друг от друга. Поэтому за разрушением диска должны стоять факторы внутреннего порядка, то есть в процессе формирования звезды и дисковой системы последняя разрушает саму себя.

Отчасти в разрушении виновато трение внутри диска. Для наглядности можно представить себе диск в виде следующих друг за другом беговых дорожек вокруг звезды. Газ на внутренней дорожке выбивается вперед, опережая газ на соседней внешней дорожке. В результате трения между дорожками скорость газа на внутренней дорожке уменьшается, а значит, в противостоянии вращения и гравитационных сил протозвезды последние начинают одерживать верх. Увлекаемый вперед газом с внутренней дорожки, газ на внешней дорожке набирает скорость, но одновременно с этим замедляется под влиянием газа с дорожки, которая граничит с ним с другой стороны. По мере уменьшения влияния на диск вращения газ и находящаяся во взвешенном состоянии пыль падают по направлению к звезде.

Этот процесс падения вещества по спирали называют аккрецией. Безусловно, на него можно списать исчезновение определенной части диска. Однако, учитывая, что этот процесс протекает достаточно медленно, вряд ли его можно считать единственной причиной. На разрушение внешних частей дисков путем аккреции потребовалось бы несколько миллиардов лет. Но, как показывают наблюдения, все происходит намного быстрее – приблизительно за 10 млн лет. Еще больше усугубляет ситуацию то обстоятельство, что процесс частичного разрушения диска наблюдается исключительно редко. Это указывает на то, что фактическое время разрушения в 10 раз меньше, а сам процесс, скорее всего, протекает практически одновременно во всем диске. Последний вывод наиболее проблематичен, поскольку, чем ближе к звезде, тем быстрее протекает аккреция, а значит, диск поглощается изнутри. Для этого требуется вторая, более динамичная деструктивная сила. Ее источником выступает сама звезда.

Подобно болезненному взрослению подростка, процесс превращения молодой протозвезды в полноценное солнце протекает весьма бурно. В случае со звездой промежуточной массы, такой, например, как Солнце, этот бунтарский период называют стадией Т Тельца – в честь первой звезды – звезды в созвездии Телец, при наблюдении за которой был зафиксирован этот неловкий момент. Почти как осыпающие родителей оскорблениями подростки, звезды типа Т Тельца являются источником не только губительной радиации в форме высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения, но еще и опаляющих ветров, несущих с собой высокоэнергетические частицы. Сталкиваясь с верхними газовыми слоями диска, они нагревают их. В непосредственной близости от солнца эта бомбардировка энергией приводит лишь к очень сильному нагреванию диска. Однако по мере удаления гравитационное притяжение звезды слабеет, и этой энергии может быть достаточно для того, чтобы газ и малейшие частицы пыли диска могли преодолеть притяжение и ускользнуть в виде ветра. Этот процесс называют фотоиспарением (дословно – «испарением под действием фотонов», то есть частиц излучения). Считается, что именно по его вине разрушается основная часть диска. Вблизи звезды, где сила гравитации достаточно велика, чтобы противостоять фотоиспарению, дело довершает аккреция.

С исчезновением газового диска вокруг звезды продолжают свободно обращаться только планеты и прочие твердые объекты, которые слишком велики, чтобы их унесло вместе с газом. При этом большая часть сохраняющегося в системе газа уже входит в состав планет, где он удерживается гравитационным полем. Поскольку в нашей Солнечной системе существует четыре планеты, огромная часть объема которых приходится на газовую атмосферу, мы знаем, что к моменту разрушения диска формирование планетного окружения должно быть почти завершено. Таким образом, на то, чтобы куча частичек пыли в 10 раз меньше песчинки превратилась в полноценный мир, похожий на место, где однажды может зародиться жизнь, должно уходить приблизительно 10 млн лет.

Пока что у нас есть все основания сомневаться в том, что такое вообще возможно. Более того, можно даже утверждать, что диски, которые мы наблюдаем вокруг молодых звезд, вовсе не материал для образования планет, а всего-навсего пылевые плаценты новорожденных звезд. Проверить эту гипотезу можно, например ответив на вопрос о количестве вещества, которое должно было присутствовать в протопланетном диске Солнца, чтобы из него сформировалась Солнечная система. Если эта величина не имеет ничего общего с массой дисков, наблюдаемых вокруг молодых звезд, то идею о переходе от пыли к планетам придется признать чистейшим вздором.

Если бы мы взялись воспроизвести процесс образования планет, построив модель Солнечной системы из деталей LEGO, нам бы не составило труда определить количество вещества, которое понадобится на начальном этапе. Разобрав конструкцию и подсчитав количество пластиковых деталей, использованных при строительстве планет, мы бы могли точно сказать, сколько элементов требуется для реализации такого проекта. Однако, проделывая ту же операцию с протопланетным диском, мы сталкиваемся с проблемой: патологический клептоман – Солнце – постоянно крадет значительную часть деталей в процессе строительства.

Если разобрать все планеты в Солнечной системе на части и расплющить их так, чтобы они образовали диск, получившаяся в результате этого система окажется богата железом и силикатными соединениями, содержащими кремний, магний, углерод и кислород, а на удаленных от Солнца участках будут в изобилии встречаться обледенелости. За этим стоят более тяжелые элементы, которые быстрее всего конденсировались из газа в твердое состояние, образуя пыль, а затем (как следует из предполагаемого нами механизма) и более крупные куски горной породы и планеты. Более легкие элементы, такие как водород, могли связываться с пылинками, образуя твердые соединения, например лед, или оказывались заперты в атмосферах планет. Однако под действием излучения молодого Солнца диск все-таки потерял большую их часть в результате испарения.

Пожалуйся мы на эту досадную особенность легких материалов в страховую компанию, нас бы точно обвинили в придумывании небылиц и попросили предоставить доказательства в подтверждение заявленного нами изначального количества. Задача эта не из легких. Единственный способ решить ее – это предположить, что диск формировался из того же газа в области звездообразования, что и Солнце. Тогда у нас появляется точка отсчета для сравнения материала, который должен был там изначально содержаться, а именно само Солнце.

Представим себе игрушечную модель Солнечной системы, сделанную из разноцветных деталей. Теперь представим, что кто-то решил украсть часть кубиков, но при этом этот воришка питает особую страсть к красному. В этом случае после кражи нам бы было намного легче определить, сколько деталей было использовано в процессе строительства. Зная, что при сборке модели было одинаковое количество деталей красного, зеленого и синего цвета, мы могли бы легко подсчитать количество недостающих красных деталей исходя из общего количество деталей других двух цветов. Например, если после разборки модели оказалось, что в ней 100 зеленых, 100 синих и пять красных деталей, было бы логичным предположить, что вор украл 95 красных деталей, а всего на момент начала строительства их было 300.

С помощью этого метода можно определить количество недостающих элементов в протопланетном диске. Поскольку диск и Солнце формировались из одного газового ядра, соотношение элементов в них изначально должно было одинаковым. Подобно красным деталям в нашем примере, диск потерял летучие элементы, но их количество по сравнению с более тяжелыми элементами должно было быть таким же, как в Солнце. Поэтому для оценки изначальной массы диска мы можем дополнить массу диска, состоящего из раздробленных частей планет, массой более легких элементов, используя соотношения между этими элементами в Солнце. При этом мы исходим из допущения, что процесс образования планет из более твердых элементов, которые мы сейчас действительно видим в их составе, в Солнечной системе протекал в идеальных условиях. В реальности часть этой массы была утрачена в период подростковых вспышек характера Солнца на стадии Т Тельца. Тем не менее это дает нам абсолютный минимум массы, необходимый для формирования Солнечной системы. Это значение называют минимальной массой протосолнечной туманности. Оно составляет приблизительно 3 % массы Солнца. По совпадению, согласно имеющимся оценкам, примерно такую же массу имеют наблюдаемые диски вокруг молодых звезд.

Есть еще один кусок горной породы, являющийся наглядным свидетельством того, что из протопланетного диска может получиться наполненная планетами солнечная система. Это астероид Итокава. 9 мая 2003 г. Японское агентство аэрокосмических исследований запустило беспилотный космический аппарат, который должен был приземлиться на него.

Астероиды – это обычно куски горной породы размером от нескольких километров до сотен километров, которые встречаются главным образом в пространстве между Марсом и Юпитером. При столкновении астероиды разлетаются на фрагменты, часть которых направляется в сторону Земли и – в случае проникновения в атмосферу нашей планеты – становится метеоритами. Столкнувшись в начале своего существования с другим астероидом, Итокава был вытолкнут на новую орбиту ближе к Земле, что сделало его легкой мишенью для космических аппаратов.

Запущенный японцами аппарат назывался «Хаябуса». Он не только сфотографировал 540-метровый астероид, но и доставил в июне 2010 г. на Землю образцы с поверхности Итокавы. На сделанных в ходе миссии снимках виден объект, формой напоминающий плод арахиса и состоящий из многочисленных фрагментов разного размера. Твердые каменистые фрагменты и гранулы пыли удерживались вместе, образуя нечто рыхлое, под действием гравитационного притяжения Итокавы, которого было недостаточно, чтобы из астероида получился плотный круглый шар. Представление об астероидах как о скоплениях массивных глыб неправильной формы подтверждается данными, полученными в ходе миссий на другие астероиды. Наиболее вероятное объяснение такой морфологии состоит в том, что она является результатом столкновения и слипания видимых кусочков меньшего размера, то есть это на ее примере мы можем наблюдать работу фабрики планет. Результат этой работы – планеты и сохранившийся астероидный мусор, а также пыль, оседающая на «фабричный пол».

Так что в случае с газово-пылевым диском мы действительно имеем дело с самой настоящей фабрикой по производству планет. Именно здесь начался процесс сборки, в ходе которого песчинки пыли превратились в восемь новых миров, размеры которых больше их в 10 000–100 000 млрд раз. Это самый грандиозный процесс строительства во Вселенной, и он протекал вокруг каждой звезды, которую вы видите на ночном небе.

Глава 2 Небывалая стройка

В августе 2013 г. в американском городе Уилмингтон в штате Делавэр появилась небывалых размеров башня из пластиковых деталей LEGO – высотой 34,44 м. Возвели это разноцветное строение ученики 32 местных школ. Сначала школьники собрали сегменты будущей башни. Затем команда строителей при помощи крана соединила их в грандиозную постройку, Она была официально внесена в книгу рекордов Гиннесса: на ее строительство ушло около 500 000 деталей LEGO, башня почти на 2 м превысила прежний рекорд.

Этот проект демонстрирует принцип, действующий во Вселенной миллиарды лет: чтобы построить что-нибудь по-настоящему масштабное, следует начинать с малого, постепенно двигаясь в сторону увеличения. Например, формирование планет Солнечной системы происходило путем слияния микроскопических пылинок, окружающих нашу молодую звезду.

Несмотря на уверенность в том, что все именно так и происходило, планетологам пришлось сначала ответить на два непростых вопроса. Во-первых, было далеко не очевидно, почему собственно частицы пыли удерживаются вместе. Кучу камней, из которой состоит астероид Итокава, удерживало вместе его собственное гравитационное поле. Сила гравитационного притяжения зависит от массы объекта. К примеру, если диаметр такого каменистого тела меньше 1 км, его массы недостаточно, чтобы обеспечить силу, необходимую для удержания составляющих его частей. Результат можно сравнить с попыткой слепить что-нибудь из сухого песка на пляже: стоит убрать руки, как сооружение тут же рассыпается.

Во-вторых, оставалось загадкой, как была достигнута такая скорость протекания процесса, которая обеспечила формирование Солнечной системы до момента уничтожения Солнцем протопланетного газового диска. Наблюдения за протопланетными дисками вокруг молодых звезд показали, что на формирование планет отводится не более 10 млн лет. В рамках этого временного промежутка из пылинок размером в одну десятую песчинки должна сформироваться молодая планета с массой, достаточной для удержания газовой атмосферы, несмотря на рассеивание остальной части диска.

Это похоже на эксперимент, в котором вам дают коробку с кубиками и просят построить из них башню, но, когда вы беретесь за работу, оказывается, что кубики абсолютно гладкие, а коробку нужно вернуть сразу после перерыва на обед.

На Земле даже башню, построенную из рекордного количества кубиков, можно легко измерить в метрах. Во Вселенной все иначе: масштабы строительства там куда больше. Чтобы не оперировать числами умопомрачительной длины, давайте сделаем небольшое отступление и подберем более практичные единицы измерения расстояний, подходящие для исследования Солнечной системы.

Разумеется, никто не запрещает использовать при оценке положения планет метры или километры, но у неприлично длинных чисел есть одна особенность: нам трудно понять, что они значат. Например, расстояние от Земли до Солнца составляет 149 600 000 км, а Юпитер находится в 778 340 000 км от нашего светила. Поскольку мы привыкли к дистанциям иного порядка, вроде поездки в супермаркет, эти расстояния воспринимаются как непостижимо большие, и нам трудно с ходу оценить, насколько дальше относительно нас находится Юпитер в Солнечной системе.

Для решения этой проблемы в качестве единицы измерения астрономы используют расстояние от Земли до Солнца. Его назвали астрономической единицей (сокращенно – а.е.). По определению, Земля в среднем находится на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Расстояние от Юпитера до Солнца можно записать как 5,2 а.е., а значит, эта планета более чем в 5 раз дальше от Солнца, чем Земля.

Приведенные значения важны, поскольку от расстояния до Солнца зависит тип космической пыли, из которой формируется планета. Нагреваемый молодой звездой протопланетный диск в центре значительно горячее, чем по краям, куда солнечным лучам приходится добираться дольше. Этот градиент температуры определяет, какие элементы могут конденсироваться в твердые тела. Подобно воде, которая превращается в лед при 0 °C, другие молекулы превращаются из газа в твердые частицы пыли при более низких или высоких температурах. Вблизи от Солнца, внутри орбиты Меркурия, температура превышает 2000 °C. Под ее воздействием все твердые тела испаряются, в результате чего образуется пространство без пыли. По мере удаления от звезды температура падает до 1500 °C, что создает условия для формирования первых частичек пыли из металлов, включая железо, никель и алюминий. На орбите Земли, то есть на расстоянии 1 а.е., к ним присоединяются силикаты, а когда температура опускается ниже точки замерзания, появляются льды. Первый лед, который образуется в процессе затвердевания, – лед из чистой воды, состоящей из водорода и кислорода. Дальнейшее понижение температуры приводит к образованию других льдов на основе водорода, включая твердый метан и аммиак. В состав этих льдов входят элементы, которые встречаются намного чаще, чем металлы внутреннего диска, что приводит к лавинообразному формированию нового материала там, где они затвердевают. Границу, после которой появляются льды, часто называют линией льдов, линией замерзания или снеговой линией. Она отделяет планеты земной группы, такие как Земля и Марс, от газовых гигантов вроде Юпитера. Более того, она помогает объяснить основные различия между ними.

Образуясь из частиц пыли в протопланетном диске, каждая планета состоит из твердых тел, которые окружали ее в процессе формирования. Например, в случае с Меркурием это привело к образованию объекта, который состоит преимущественно из железа[5]. С учетом небольшого размера Меркурия, из-за которого гравитационные силы сжимают его не так сильно, как Землю, наличие большого количества тяжелого вещества в составе этой планеты обеспечивает ей самую высокую плотность в Солнечной системе. Плотность планет, которые находятся на большем удалении от Солнца, оказывается несколько ниже, поскольку в состав доступных частиц пыли входит больше различных молекул, но при этом эти планеты остаются каменистыми. А как только мы пересекаем снеговую линию, диск заполняют льды с низкой плотностью. Благодаря резкому увеличению количества вещества из него могут формироваться более крупные объекты, которые однажды могут стать ядрами планет-гигантов.

Впрочем, даже если приведенное описание не противоречит идее о том, что планета образуется из находящихся поблизости частиц пыли, оно не объясняет, как они соединяются вместе.

Взвешенные в газе частицы пыли сбить с пути истинного легче, чем ребенка в кондитерском отделе. Это как раз то что нужно для формирования планеты, ведь если бы пыль оставалась на строго круговых орбитах, столкновения происходили бы редко, а до образования крупных объектов дело никогда бы не доходило. Нам повезло, что у пыли есть авантюрные наклонности, которые заставляют частицы отклоняться от круговых орбит, переходя дорогу другим частицам.

Впервые этот тип аномального движения наблюдал в 1827 г. ботаник по имени Роберт Броун, изучавший поведение частиц пыльцы при нахождении во взвешенном состоянии в воде. Броун заметил, что частицы движутся беспорядочно, но ответить на вопрос о причине этого движения так и не смог. И только в начале следующего столетия проблему распутал Альберт Эйнштейн, который понял, что о пыльцу ударялись молекулы воды. Эйнштейн бы мог получить Нобелевскую премию за это открытие, поскольку оно подтверждало существование атомов и молекул, но он уже получил ее пятью годами ранее за совершенно другое исследование. Вместо него в 1926 г. награду получил французский физик Жан Батист Перрен, который экспериментально подтвердил предложенное Эйнштейном объяснение. Наблюдений Роберта Броуна оказалось недостаточно для какой-нибудь награды, но само явление было названо в честь него броуновским движением.

В протопланетном диске роль молекул воды, которые хаотично движутся вокруг маленьких частиц пыли, выполняет газ. Помимо броуновского движения на частицы пыли также воздействует собственное некруговое движение газа, вызываемое пронизывающим диск магнитным полем. Наконец, небольшие карманы газа чуть большей плотности тоже могут становиться источниками слабого гравитационного притяжения для легко поддающихся его воздействию крошечных частичек.

О силе, заставляющей притягиваться две сталкивающиеся частицы в самом начале процесса образования планеты, мы знаем несколько больше. Размер частиц пыли, сконденсировавшихся в протопланетном диске, равен одной десятой размера песчинки, то есть он измеряется в микрометрах (тысячных долях миллиметра). При движении на скоростях ниже 1 м/с эти частицы могут удерживаться вместе электрическим зарядом их атомов, образуя неплотную массу.

Песчинка пыли состоит из молекул, например льда или силиката, которые нейтральны и не имеют ни общего положительного, ни общего отрицательного электрического заряда. Каждая из этих молекул состоит из двух или более атомов, в центре которых находится положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Однако электроны не статичны. Напротив, они перемещаются по молекуле, в результате чего там, где они собираются на короткое время, появляется небольшой отрицательный заряд, тогда как противоположная сторона молекулы становится положительно заряженной. Отрицательно заряженный конец молекулы может притягивать положительно заряженный конец соседней молекулы, удерживая их вместе. Эту силу, обусловленную небольшой асимметрией электрических зарядов, называют вандерваальсовой силой в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Сама по себе эта сила достаточно слаба и потому эффективна только при очень легких столкновения частиц пыли. В остальных случаях мы сталкиваемся (метафорически и буквально) с проблемами.

В масштабах микрометров первоначальное беспорядочное движение частиц пыли происходит настолько медленно, что вандерваальсовых сил оказывается достаточно для того, чтобы удерживать сталкивающиеся частицы вместе. Проблема в том, что частицы пыли увеличиваются в размерах, а значит, увеличивается и скорость столкновения. Как только микрометровые частички становятся миллиметровыми гигантами, вандерваальсовы силы уже не могут их удерживать. В результате при столкновении частицы отскакивают.

Когда две частицы пыли отскакивают друг от друга, они не увеличиваются. Поэтому при переходе от микрометрового масштаба к миллиметровому рост частиц прекращается. В итоге образуется множество миллиметровых частиц.

То есть, как это ни печально, процесс формирования планеты заходит в тупик, выйти из которого можно только в том случае, если по какой-то случайности нескольким частицам пыли удастся перейти в сантиметровую лигу. В ходе лабораторных экспериментов было показано, что при столкновении двух частиц с достаточной большой разницей в размерах меньшая частица отскакивает, но при этом теряет половину своей массы. Представьте, что вы бросаете в своего брата комок желе. Разумеется, значительная его часть окажется на полу. Но и на лице брата останется немало. Поэтому, когда сантиметровые частицы оказываются в облаке миллиметровой пыли, они начинают набирать массу за счет столкновений с частицами пыли.

Несмотря на очевидный потенциал, предложенное объяснение не дает ответа на вопрос о том, как появляются сантиметровые частицы пыли. Фактически существует два пути преодоления проблемы отскакивания. Первый – слепая удача. Да, средняя скорость столкновений между частицами пыли возрастает с увеличением их размера, но при этом все равно остается определенный диапазон значений, в рамках которого некоторые столкновения могут проходить на достаточно низких скоростях, обеспечивающих формирование сантиметровых частиц пыли за счет действия вандерваальсовых сил. Согласно второму подходу, отскакивание перестает быть проблемой, когда мы имеем дело с чем-то, имеющим рыхлую структуру.

Представьте, что вы бросаете в стену резиновый мяч. Если вы хорошо прицелитесь, мяч отскочит от стены прямо вам в нос. Теперь представьте, что вместо стены – гигантский комок пыли и пуха, который обычно незаметно скапливается под диваном. Брошенный вами мяч скорее пролетит через такой комок пыли, чем отскочит от него. Если ком достаточно большой, мяч просто-напросто застрянет в его пушистых недрах и станет частью его структуры.

Частицы протопланетной пыли, конечно, вряд ли состоят из смеси пыли, кошачьей шерсти и пуха, но в условиях низкой гравитации в космосе они могут иметь рыхлую структуру. В частности, это относится к частицам, состоящим из более легких элементов, таких как лед. Столкновения между такими рыхлыми частицами трудно воспроизвести в лабораторных условиях, поскольку они будут сжиматься под действием силы гравитации Земли. Чтобы преодолеть данное ограничение, можно попробовать воспроизвести столкновение в виртуальной среде с помощью компьютерных симуляций. Результаты такого моделирования реальности показывают, что на скоростях свыше 60 км/с микрометровые частицы льда, вместо того чтобы отскакивать, прилипают друг к другу. Если бы частицы сохраняли рыхлую структуру, но при этом состояли из силикатов (что более вероятно для той части Солнечной системы, где формировалась Земля), то они бы удерживались вместе на скоростях до 6 км/с.

Похоже, мы нашли ключ ко всем загадкам процесса формирования планет. Движущиеся с низкой скоростью микрометровые частицы пыли удерживаются вместе вандерваальсовыми силами электрической природы, образуя миллиметровые частицы. Те из них, что имеют наиболее рыхлую структуру, соединяются друг с другом, образуя сантиметровые частицы, после чего и рыхлые, и твердые частицы набирают массу при столкновениях с частицами меньшего размера. Если это продолжается пару миллионов лет, могут сформироваться объекты размером с астероид Итокава, целостность которых обеспечивается гравитацией.

Это решение было бы идеальным, если бы не газовый диск.

При движении по орбите вокруг молодого Солнца на газ и твердые частицы действуют разные силы. Для мельчайших частиц пыли меньше сантиметра размером эта разница не имеет значения. Крошечные частицы находятся во взвешенном состоянии в газе, который несет их с собой как ребенка в слинге, заставляя двигаться с одинаковой скоростью. По мере того как частицы пыли увеличиваются, превращаясь в более крупные твердые тела, они становятся все больше похожи на начинающих ходить детей, которых пока еще нужно держать за руку. Они по-прежнему движутся по орбите вокруг звезды, но их движение уже не так тесно связано с окружающим газом. И тогда возникает проблема, поскольку частицы – твердые, а газ – текучий, а текучая субстанция подвержена давлению.

В отсутствие газового диска на твердые тела действуют сила притяжения Солнца и обратная поддерживающая сила, обусловленная их собственным вращением. Возникающее в результате этого взаимодействия движение называют кеплеровским в честь Иоганна Кеплера, который описал соответствующую орбиту в своих законах движения планет. При этом на газ оказывают воздействие не только эти две силы, но еще и сила давления. Она возникает в связи с тем, что в результате аккреции протопланетного материала на Солнце плотность диска увеличивается к центру. На твердых телах это никак не сказывается. Но этот градиент создает дополнительную центробежную силу, под действием которой газ замедляется на 0,5 % относительно скорости кеплеровского движения. В результате твердые тела, подобно велосипедисту, испытывают сопротивление встречного ветра, создаваемого более медленным газом, который толкает их в обратном направлении. И точно так же, как велосипедист, который борется с сильным встречным ветром, твердые тела начинают терять скорость.