Почему новорожденные газовые планеты похожи на сплюснутые лепешки

Поймать момент рождения планеты — задача невероятной сложности. Это все равно что увидеть, как распускается бутон на другом континенте. До сих пор астрономам удалось разглядеть лишь три такие протопланеты, причем две из них живут в одной системе — PDS 70.

Нужна невероятная удача: система должна быть достаточно близко к нам, а ее возраст — всего несколько миллионов лет. По космическим меркам это миг. За это время планета должна как раз формироваться, а наши телескопы — суметь отличить ее тусклый свет от сияния окружающего диска. Лотерея, да и только.

Чтобы понять, что же там происходит, команда ученых провела масштабное компьютерное моделирование. Они просчитали, как ведут себя газовые зародыши планет в разных уголках протопланетного диска.

Симуляции были настолько детальными, что показывали весь путь протопланеты — от первого сгустка материи до почти сформированного тела. Такие расчеты требуют чудовищной мощности, так что пришлось задействовать суперкомпьютер DiRAC. Представляете, сколько энергии ушло на эти цифровые миры?

Обычно в диске рождается несколько планет одновременно. И вот главный сюрприз: моделирование показало, что протопланеты больше напоминают сплюснутые сфероиды, вроде конфет M&M's, а не идеальные шары. Они растут, засасывая газ в основном через полюса, а не через экватор. Странная картина, не правда ли?

Кстати, все планеты в нашей Солнечной системе — тоже слегка приплюснутые сфероиды. Но их «сплюснутость» мизерна: у Сатурна — 10%, у Юпитера — 6%, а у Земли — всего 0,3%. Совсем незаметно.

А вот у тех новорожденных гигантов уплощение достигает фантастических 90%! Это не просто курьез. Такая форма радикально меняет их наблюдаемые свойства. Если мы хотим правильно расшифровать сигналы из глубины космоса, этот факт нельзя игнорировать.

Как рождаются планеты: два сценария

Самую популярную теорию знают, наверное, все: это аккреция ядра, или модель «снизу вверх». Крошечные пылинки сталкиваются, слипаются, постепенно наращивая массу. Примерно как пыль под диваном, если ее годами не убирать, только в космическом масштабе.

Когда каменное ядро становится достаточно тяжелым, оно начинает притягивать газ из диска, превращаясь в газового гиганта. Процесс неторопливый, занимает миллионы лет.

Но есть и альтернатива — теория нестабильности диска, или подход «сверху вниз». Согласно ей, массивный протопланетный диск становится гравитационно неустойчивым и распадается на фрагменты, которые почти мгновенно, по космическим меркам, коллапсируют в планеты.

Классическая теория аккреции прекрасно объясняет нашу Солнечную систему. Но как быть с открытыми экзопланетами, где гигант вращается невероятно далеко от звезды? Здесь модель нестабильности диска выглядит более уместной.

Ведь по ней планеты могут сформироваться стремительно, за какие-то тысячи лет. Это хорошо согласуется с тем, что мы видим планеты даже у очень юных звезд, чьи диски еще не рассеялись.

Новое исследование как раз фокусировалось на гигантах, рожденных по второму, быстрому сценарию. Они такие плоские, потому что формируются из уже плоского диска и бешено вращаются с самого начала.

А что же Земля? Была ли она плоской?

Хотя сами протопланеты-лепешки сплюснуты на 90%, их будущие ядра — плотные сгустки в центре — уплощены гораздо меньше, примерно на 20%. Со временем, под действием собственной гравитации, они станут почти сферическими.

А вот скалистым мирам вроде Земли или Марса путь через нестабильность диска заказан. Они рождаются медленно, из камней и пыли, слишком плотные, чтобы их можно было серьезно сплющить даже в юности. Так что нет, Земля никогда не была плоской. И в этом ее главное отличие от многих гигантов.

Мы вступаем в новую эру — эру не просто открытия, а детального изучения экзопланет. В строй встают мощные наземные и космические телескопы. Они найдут больше этих плоских младенцев в дисках.

Сравнивая сложные теоретические модели с новыми наблюдениями, мы наконец-то начнем понимать, как из хаоса пыли рождаются миры. И как среди них появилась наша скромная, но прекрасно круглая Земля.