Изображение предоставлено NASA
Если инопланетные астрономы вокруг далекой звезды изучали молодое Солнце четыре с половиной миллиарда лет назад, могли ли они увидеть признаки новообразованной Земли, вращающейся вокруг этой безобидной желтой звезды? Ответ - да, согласно Скотту Кеньону (Смитсоновская астрофизическая обсерватория) и Бенджамину Бромли (Университет Юты). Более того, их компьютерная модель говорит, что мы можем использовать те же знаки для определения мест, где в настоящее время формируются планеты размером с Землю, - молодых миров, в которых однажды может появиться собственная жизнь.
По словам Кениона и Бромли, ключ к поиску новорожденных Земель заключается в том, чтобы искать не саму планету, а круг пыли, вращающийся вокруг звезды, который является отпечатком земного (скалистого) формирования планеты.
«Скорее всего, если есть кольцо пыли, есть планета», - говорит Кеньон.
Хорошие планеты трудно найти
Наша солнечная система сформировалась из закрученного диска газа и пыли, называемого протопланетным диском, вращающимся вокруг молодого Солнца. Одни и те же материалы обнаружены по всей нашей галактике, поэтому законы физики предсказывают, что другие звездные системы будут образовывать планеты подобным образом.
Хотя планеты могут быть обычными, их трудно обнаружить, потому что они слишком слабые и расположены слишком близко к гораздо более яркой звезде. Поэтому астрономы ищут планеты, ища косвенные доказательства их существования. В молодых планетных системах это свидетельство может присутствовать в самом диске и в том, как планета влияет на пыльный диск, из которого она формируется.
Большие планеты размером с Юпитер обладают сильной гравитацией. Эта гравитация сильно влияет на пыльный диск. Один Юпитер может очистить кольцевой зазор в диске, деформировать диск или создать концентрированные полосы пыли, которые оставляют рисунок на диске, как след от лодки. Присутствие гигантской планеты может объяснить подобную пробуждению картину, наблюдаемую на диске вокруг звезды Vega 350 миллионов лет.
Маленькие миры размером с Землю, с другой стороны, обладают более слабой гравитацией. Они влияют на диск более слабо, оставляя более тонкие признаки их присутствия. Вместо того, чтобы искать перекосы или пробуждения, Кеньон и Бромли рекомендуют посмотреть, насколько яркая звездная система на инфракрасных (ИК) длинах волн света. (Инфракрасный свет, который мы воспринимаем как тепло, - это свет с большей длиной волны и меньшей энергией, чем у видимого света.)
Звезды с пыльными дисками в ИК-диапазоне ярче, чем без дисков. Чем больше пыли удерживает звездная система, тем ярче она в инфракрасном диапазоне. Кеньон и Бромли показали, что астрономы могут использовать ИК-яркость не только для обнаружения диска, но и для определения того, когда внутри этого диска формируется планета размером с Землю.
«Мы были первыми, кто вычислил ожидаемые уровни пылеобразования и связанных с этим избытков инфракрасного излучения, и первыми продемонстрировали, что формирование земных планет производит заметное количество пыли», - говорит Бромли.
Строим планеты с нуля
Наиболее распространенная теория формирования планет требует создания планет «с нуля». Согласно теории коагуляции, маленькие кусочки скального материала в протопланетном диске сталкиваются и слипаются. На протяжении тысячелетий небольшие скопления превращаются в более крупные и крупные скопления, подобно тому, как строят снеговика одну горсть снега за раз. В конце концов, скальные сгустки становятся настолько большими, что становятся полноценными планетами.
Кеньон и Бромли моделируют процесс формирования планеты, используя сложную компьютерную программу. Они «затравили» протопланетный диск с миллиардом планетезималей размером 0,6 миль (1 километр), вращаясь вокруг центральной звезды, и вовремя шагнули вперед, чтобы увидеть, как планеты эволюционируют из этих основных компонентов.
«Мы сделали симуляцию настолько реалистичной, насколько могли, и по-прежнему выполняем расчеты в разумные сроки», - говорит Бромли.
Они обнаружили, что процесс формирования планет был чрезвычайно эффективным. Первоначально столкновения между планетезималами происходят при низких скоростях, поэтому сталкивающиеся объекты имеют тенденцию сливаться и расти. На типичном расстоянии Земля-Солнце, для 1-километровых объектов требуется всего около 1000 лет, чтобы превратиться в 100-километровые (60-мильные) объекты. Еще 10 000 лет производит протопланеты диаметром 600 миль, которые растут еще на 10 000 лет, чтобы стать протопланетами диаметром 1200 миль. Следовательно, объекты размером с Луну могут образоваться всего за 20000 лет.
По мере того как планетезимали внутри диска становятся все больше и массивнее, их гравитация усиливается. Как только несколько объектов достигают размера 600 миль, они начинают «разжигать» оставшиеся более мелкие объекты. Гравитационные рогатки снимают более мелкие куски породы размером с астероид на все более высоких скоростях. Они движутся так быстро, что при столкновении они не сливаются - они растираются, сильно разбивая друг друга. Пока крупнейшие протопланеты продолжают расти, остальные скалистые планетезималы размалывают друг друга в пыль.
«Пыль образуется там, где формируется планета, на том же расстоянии от ее звезды», - говорит Кеньон. В результате температура пыли указывает, где планета формируется. Пыль на орбите, подобной Венере, будет более горячей, чем пыль на орбите, похожей на Землю, что даст представление о расстоянии планеты от ее звезды.
Размер самых больших объектов на диске определяет скорость образования пыли. Количество пыли достигает максимума, когда образуются 600-мильные протопланеты.
«Космический телескоп Spitzer должен уметь обнаруживать такие пиковые пики», - говорит Бромли.
В настоящее время модель формирования земных планет Кеньона и Бромли охватывает только часть солнечной системы, от орбиты Венеры до расстояния примерно на полпути между Землей и Марсом. В будущем они планируют расширить модель, чтобы охватить орбиты, такие же близкие к Солнцу, как Меркурий, и такие же далекие, как Марс.
Они также смоделировали формирование Пояса Койпера - области маленьких, ледяных и скалистых объектов за орбитой Нептуна. Следующий логический шаг - смоделировать образование газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн.
«Мы начинаем на краях солнечной системы и работаем вовнутрь», - с усмешкой говорит Кеньон. «Мы также работаем над ростом массы. Земля в 1000 раз массивнее объекта пояса Койпера, а Юпитер в 1000 раз массивнее Земли ».
«Наша конечная цель - моделировать и понимать формирование всей нашей солнечной системы». Кенион считает, что их цель достижима в течение десятилетия, так как скорость компьютера продолжает расти, что позволяет моделировать всю солнечную систему.
Это исследование было опубликовано в выпуске журнала Astrophysical Journal Letters от 20 февраля 2004 года. Дополнительная информация и анимация доступны в Интернете по адресу http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики со штаб-квартирой в Кембридже, штат Массачусетс, является совместным сотрудничеством Смитсоновской астрофизической обсерватории и обсерватории Гарвардского колледжа. Ученые CfA, объединенные в шесть исследовательских отделов, изучают происхождение, эволюцию и судьбу вселенной.
Источник: пресс-релиз CfA
