Пылевой диск — залог наличия планет земной группы

Шон Реймонд из Обсерватории Бордо (Франция) отмечает, что содержимое подобных образований рассеивается сравнительно быстро: например, его может выбросить в межзвёздное пространство из-за воздействия гигантских планет. Поэтому считается, что если астрономы замечают такие диски, то это означает их постоянное пополнение в результате столкновения небольших тел — остатков процесса планетообразования. И если диск относительно велик, то можно предположить, что система обладает довольно спокойной орбитальной динамикой и в ней могут образоваться скалистые миры.

Во внутренних областях диска твёрдые объекты формируются за 10–100 млн лет — в результате столкновений планетезималей размером с астероид и более крупных протопланет с габаритами Луны и Марса. Эти регионы не обладают достаточной массой для образования ядер гигантских планет: им приходится возникать во внешних областях подальше от звезды, где низкая температура позволяет водородным соединениям конденсироваться и слипаться в ледяные глыбы.

Считается, что газовые гиганты, как правило, формируются в течение первых миллионов лет после рождения протопланетного диска. Поэтому они могут оказать воздействие на внутренние области диска и повлиять на проходящие в них процессы планетообразования. Дабы выяснить, насколько сильным может быть эффект, г-н Реймонд и его коллеги провели моделирование процессов образования планет из пылевых дисков. Они рассмотрели несколько дисков, содержащих 500 планетезималей и 50 протопланет общей массой в девять земных на расстоянии 0,5–4 а. е. от звезды, а также три газовых гиганта на расстоянии 5–10 а. е. и, наконец, внешнюю область планетезималей массой 50–100 земных, отстоящих от звезды на 10–20 а. е. (аналог нашего пояса Койпера). Этим системам позволили развиваться 100–200 млн лет. В общей сложности было проведено более пятисот симуляций, на каждую из которых ушло от нескольких недель до полугода.

В зависимости от массы, орбиты и прочих характеристик дисков и объектов гравитационная неустойчивость, порождаемая газовыми гигантами, могла уничтожить все или почти все планетезимали и изменить расположение планет. Чем шире и массивнее внешние области диска, тем выше вероятность появления твёрдых планет, поскольку планетезимали в них способны уменьшить эксцентриситет орбиты газовых гигантов и тем самым понизить вероятность того, что гравитация гигантов выбросит скалистые миры прочь из системы.

Системы с менее массивными гигантами (вроде Нептуна) тоже имеют высокие шансы на образование землеподобных планет.

Самое интересное заключается в том, что с точки зрения результатов моделирования Солнечная система выглядит весьма нетипично, ведь у нас есть и скалистые планеты, и гиганты с относительно спокойной орбитальной динамикой, но нет пылевого диска. Объясняется это очень просто: его уже нет. Он существовал первые пятьсот миллионов лет после образования. Как и в случае с другими системами, в нём сталкивались и разрушались льдистые планетезимали. «Это был первобытный пояс Койпера, — говорит г-н Реймонд. — Мы полагаем, он содержал около 50 земных масс — по меньшей мере в 100 раз больше, чем его нынешний потомок».

Диск оказался рассеян примерно 3,8 млрд лет назад, во время периода поздней тяжёлой бомбардировки, когда гравитационная нестабильность заставила Юпитер и Сатурн отойти подальше от Солнца, а Уран и Нептун прямо-таки врезались в первобытный пояс Койпера. В результате тот подвергся практически полному уничтожению: его объекты оказались вытеснены в сторону Юпитера и Сатурна. Большинство было выброшено в межзвёздное пространство, и лишь малая часть покрыла кратерами Землю, Луну и прочие тела внутренней части Солнечной системы. Именно этим г-н Реймонд объясняет, в частности, почти идеально круглые орбиты Юпитера и Сатурна.

Так на кого же указывает моделирование, где искать-то? Похоже, одним из кандидатов следует считать систему η Ворона, диск которой может представлять собой результат столкновения между землеподобным миром и одной или несколькими кометами (этакий местный вариант поздней тяжёлой бомбардировки).

В то же время лишь каждая шестая звезда старше миллиарда лет имеет пылевой диск. Вероятно, подавляющее большинство звёзд просто не располагает достаточным количеством материала для формирования такого диска. Но это не означает, что в лишённых диска системах нет своих земель. «В качестве барометра можно рассматривать гигантские планеты, — отмечает г-н Реймонд. — Звёзды с гигантскими планетами на далёких орбитах с малым эксцентриситетом — прекрасная среда для формирования планет земного типа, а звёзды с гигантами, которые расположены близко или обладают большим эксцентриситетом, — плохая».

«В целом, — резюмирует учёный, — трудно сказать что-то определённое о звезде без пылевого диска. А вот звезда с таким диском, по моему мнению, имеет высокую вероятность появления планет земной группы. И если к тому же там нет "эксцентричной" гигантской планеты, то шансы ещё выше».