Не так давно японскими и новозеландскими исследователями был обнаружен новый класс космических объектов - свободно движущиеся планеты.
Эти космические тела имеют планетарные размеры и не излучают видимый свет. Но они не являются планетами в обычном понимании, потому что не обращаются вокруг каких-то звезд, как, например, наша Земля вокруг Солнца. Эти тела отличаются тем, что движутся в пространстве нашей галактики свободно, ни к чему не «привязанные», как движутся в этом пространстве звезды или звездные скопления.
Обнаружены они с помощью «гравитационного микрофокусирования». Существование «гравитационных линз» впервые было предсказано профессором Петроградского университета Орестом Хвольсоном в 1924 году, подробно аргументировано Эйнштейном в 1936 году и экспериментально доказано в 1979 году. «Гравитационной линзой», искривляющей лучи, испущенные каким-нибудь источником света, может быть любое достаточно массивное тело, оказавшееся между этим источником и Землей. Гравитационное поле такого заслоняющего тела способно сфокусировать световые лучи таким образом, что они создадут в телескопе одно или несколько (искаженных) изображений заслоненного источника света, и тогда, по деталям этих изображений, можно вычислить некоторые параметры как самого источника, так и заслоняющего объекта (линзы). Изучение далеких космических объектов с помощью такой грави-фокусировки их лучей полем заслоняющей галактики стало сегодня важным орудием астрономических исследований.
Во многих случаях, однако, заслоняющим объектом может оказаться небольшое и даже невидимое тело, если оно имеет достаточную массу и проходит достаточно близко перед заслоняемой звездой. Такое прохождение приводит к кратковременной концентрации лучей звезды, то есть к небольшому увеличению ее яркости. Видимая яркость звезды будет сначала нарастать, а потом спадать до нормальной, и по графику изменения этой яркости можно рассчитать параметры тела-линзы. Такое явление называется гравитационной микрофокусировкой. В силу малой величины гравитационного поля в этих случаях изменение яркости звезды так невелико и кратковременно, что уловить его могут только сильные телескопы. Не случайно такой эффект был впервые обнаружен лишь в 1993 году.
Но у этого метода есть большая трудность: поскольку тело-линза не излучает, то астрономы даже не знают о его существовании, а потому не могут заранее предсказать, когда оно заслонит ту или иную звезду. Приходится годами вести регулярные наблюдения за миллионами звезд (а потом еще годами терпеливо анализировать накопившиеся данные) в надежде заметить хотя бы одну такую вспышку. И тем не менее такие наблюдения ведутся сегодня во многих обсерваториях, потому что метод гравитационного микрофокусирования оказался очень эффективным орудием поиска невидимых или слабовидимых космических объектов, вроде планет у других звезд, а также красных, белых и коричневых карликов и тех тел, которые, возможно, составляют «темное вещество». Такие тела иным способом порой и не отыщешь.
Один такой широкий поиск и вели упомянутые ученые, и эта их работа увенчалась важным открытием: было обнаружено целых 10 случаев гравитационного фокусирования,что весьма и весьма неординарно. Но еще более интересно, что во всех десяти случаях «линзами», как выяснилось, были невидимые тела с массой порядка нашего Юпитера или больше. Все они были обнаружены на расстоянии 10-20 тысяч световых лет от нашего Солнца, то есть внутри Млечного пути, и, что главное, - не были связаны ни с одной звездой, находящейся в этом направлении и на этом расстоянии. Иными словами, это были свободно движущиеся планеты.
Понятно, что в чудовищно огромном пространстве нашей галактики случайное затмение звезды свободно движущимся темным телом, да еще на линии наблюдения с Земли - событие крайне маловероятное. Поэтому обнаружение сразу 10-ти таких событий говорит о том, что тел этого рода наверняка имеется очень много, по оценкам чуть ли не вдвое больше, чем самих звезд. К тому же нужно учесть, что в нынешнем виде метод микрофокусировки позволяет заметить лишь те вспышки, которые вызваны телами с массой Юпитера или больше. Вполне возможно, что в космосе существует еще большее множество пока еще не обнаруженных темных тел меньшей массы, вплоть до планет типа Земли. И этот вывод порождает естественный вопрос: как могли появиться в космосе все эти планеты-«сироты» и другие «бездомные» тела?
Возможный ответ на этот вопрос был найден недавно и, что интересно, - при изучении совершенно иной проблемы, никак не связанной, на первый взгляд, с описанным выше гравитационным микрофокусированием. Эта проблема выросла как следствие начавшегося в последние годы активного изучения окраин нашей планетной системы, за орбитой Нептуна. Выяснилось, что там простираются обширные районы скопления карликовых планет и каменно-ледяных обломков меньшего размера, которые образуют несколько отдельных групп - «пояс Койпера», «рассеянный диск» и «облако Оорта». Эта картина не укладывалась в прежнюю теорию формирования Солнечной системы. Согласно той, «небулярной» теории, основы которой были заложены еще в XVIII веке Кантом, Лапласом и Сведенборгом, вся солнечная семья родилась из огромного газопылевого облака, которое под влиянием тяготения сгустилось, затем уплотнилось и сильно разогрелось в центре, где и возникло Солнце. Остальная часть этого облака превратилась в плоский протопланетный диск, из вещества которого постепенно образовались планеты. Эта теория подтвердилась в XX веке, когда такие диски были обнаружены вокруг многих солнцеподобных звезд. Некоторые из них были даже «пойманы на горячем» - когда они проходили через этап формирования планеты (наличие которой демонстрировала темная борозда, которую зачаточная планета «пропахала» в диске).
Однако небулярная теория в ее прежнем виде не могла объяснить появления таких странностей, как, например, пояс Койпера или рассеянный диск. А тут еще и в поясе астероидов между Марсом и Юпитером тоже были обнаружены странности: состав многих астероидов оказался таков, как будто они образовались не там, где сейчас находятся, а много ближе к Солнцу. Непонятной была малость Марса. Загадочной оказалась испещренность всех внутренних планет (от Меркурия до Марса) и их спутников следами многочисленных ударов, возраст которых повсюду составлял около 4 миллиардов лет. Все эти новые открытия показывали, что Солнечная система не сразу сформировалась такой, как сейчас, и пережила, по-видимому, этап каких-то сложных внутренних пертурбаций. Изучение этого этапа нашей космической истории стало возможным лишь в самые последние годы, когда появились мощные компьютеры, позволяющие не только строить различные возможные модели этой истории, но и просчитывать, к чему приводит та или иная модель, а затем сравнивать такую «гипотетическую Солнечную систему» с нынешней реальной. Такое моделирование позволило постепенно воссоздать наиболее вероятную картину формирования Солнечной системы, которая оказалась намного более сложной и динамичной, нежели считалось раньше.
Согласно этой новой картине, в первичном протопланетном диске образовалось не 8 ныне существующих планет, а около 100 или больше «планетезималей» - больших сгустков вещества, масса каждого из которых была между массами Луны и Марса, а также множество более мелких тел. Планеты формировались путем столкновений и слипания этих сгустков (а также за счет притягивания к себе - аккреции - рассеянного вещества диска). При этом образующиеся планеты испытывали гравитационное взаимодействие друг с другом и прямые соударения с оставшимися планетезималями, что приводило к очень сложным перемещениям, этакому «танцу планет».
Поначалу все четыре большие планеты нашей системы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), а также большинство нынешних астероидов образовались значительно ближе к Солнцу, чем находятся сейчас. При этом первым сформировался Юпитер. Сперва он мигрировал в сторону Солнца, примерно до нынешней орбиты Марса, и оставался здесь до возникновения Сатурна. (Этим объясняется, почему на долю будущего Марса осталось так мало вещества.) Новорожденный Сатурн вскоре вошел в гравитационный резонанс с Юпитером (он совершал один оборот вокруг Солнца за то время, что Юпитер совершал два), и это связало их в совместно движущуюся пару. Их постепенный отход от Солнца оказал сильное гравитационное воздействие на Нептун, который начал сдвигаться к краю протопланетного диска, обгоняя при этом Уран. Соударяясь с тамошними пленетезималями, он стал сдвигать их внутрь системы. Там они сталкивались с Ураном, отдавали ему часть энергии, отодвигая эту планету еще дальше от Солнца, а сами еще больше приближаясь к нему. То же происходило с Сатурном, но огромный Юпитер эти планетезимали сдвинуть наружу не смогли - столкновения с ним, как показывают модели, привели к выбросу многих из этих сгустков, а особенно мелких обломков, на далекие от Солнца орбиты; там часть из них (оставшаяся в плоскости протопланетного диска) образовала пояс Койпера и «рассеянный диск», а самые далеко и под большими углами отброшенные обломки и сгустки вещества образовали сферическое облако Оорта. Наконец, множество таких планетезималей и более мелких обломков, сдвинутых большими планетами внутрь Солнечной системы, ближе к Солнцу, обрушились на внутренние, малые планеты (это и была «поздняя метеоритная бомбардировка» 4-миллиардолетней давности).
Такова грубая картина формирования Солнечной системы, какой она сложилась по результатам многих теоретических расчетов и компьютерных моделирований самых последних лет. Уже в этой картине можно увидеть кое-что знакомое: намек на возможность выброса некоторых тел из формирующейся планетной системы в космическое пространство. Но еще более интересное возможное следствие такого планетного «танца» обнаружил совсем недавно Дэвид Несворны - ведущий специалист по планетной динамике из университета штата Колорадо. Несворны разработал модель, позволяющую более детально проследить возможный путь Юпитера на его нынешнюю орбиту. Компьютерный расчет, основанный на этой модели, показал, что если Юпитер двигался медленно, он должен был (косвенным образом, через взаимодействие с более мелкими телами в системе) повлиять на орбиты внутренних планет, и они не смогли бы стать такими, как сейчас; если же он двигался быстро, так сказать -«прыжком», то должны были бы быть другими нынешние орбиты Урана и Нептуна. Единственный вариант, при котором Юпитер, двигаясь быстро, мог потом замедлиться и выйти на свою теперешнюю орбиту, требовал, что он отдал часть своей энергии какому-то массивному телу, которое в результате приобретения такой энергии вылетело бы из Солнечной системы в космическое пространство. По расчетам, масса этого тела должна была быть примерно равной массе «ледяных планет» - Урана или Нептуна.
Как легко понять, сказанное означает, что первоначально Солнечная система имела не четыре, а пять больших планет, но одна из них была в процессе формирования системы выброшена из нее в космос и стала «сиротой». Вспоминая описанное в начале заметки открытие десяти «бездомных планет», мы можем понять, почему профессор Несворны заключил свою статью о выброшенной «пятой большой планете» словами: «Возможность того, что Солнечная система первоначально имела больше крупных планет, но затем выбросила некоторые из них, представляется вполне приемлемой в свете недавнего открытия свободно движущихся планет в межзвездном пространстве». И на этом основании он выдвигает предположение, что такое выбрасывание планет в космос представляет собой весьма обычный этап формирования планетных систем вообще. Если так, то мы получаем ответ на поставленный выше вопрос о том, каким образом в космосе могло появиться такое множество «бездомных планет».
Впрочем, предположение это не осталось без возражений. Комментаторы отметили, что в расчетах Несворны фигурирует планета типа Урана или Нептуна, то есть много меньше Юпитера, тогда как свободно движущиеся планеты, обнаруженные японскими исследователями, имели массу Юпитера или даже больше. Трудно представить себе механизм выброса таких больших планет, говорят эти комментаторы. Для этого в системе должны существовать планеты еще большего размера и массы. Заметим, однако, что в некоторых планетных системах, обнаруженных за последние годы около ближайших звезд типа Солнца, есть и такие сверх-Юпитеры. Однако, каков бы ни был механизм образования «бездомных» планет, сам факт их существования весьма интересен. Как интересна и гипотеза Несворны, показавшая, что вроде бы давно знакомая нам Солнечная семья, глянь мы на нее 4 миллиарда лет назад, показалась бы нам, возможно, не такой уж и знакомой.
(с) Борис Стариков