Как родились планеты Солнечной системы

Образование планет и планетарных систем — набор процессов формирования и эволюции отдельных планет и планетарных систем.

Полной ясности в том, какие процессы идут при формировании планет и какие из них доминируют, до сих пор нет. Обобщая наблюдательные данные, можно утверждать лишь то, что[1]:

• Они образуются ещё до момента рассеяния протопланетного диска.
• Значительную роль в формировании играет аккреция.
• Обогащение тяжёлыми химическими элементами идёт за счёт планетезималей.

Экзопланеты в двойных системах

Экзопланета, находящаяся в двойной системе Kepler-47 глазами художника.
Из более чем 800 ныне известных экзопланет число обращающихся вокруг одиночных звёзд значительно превышает число планет найденных в звёздных системах разной кратности. По последним данным последних насчитывается 64[4].

Экзопланеты в двойных системах принято разделять по конфигурациям их орбит[4]:

• Экзопланеты S-класса обращаются вокруг одного из компонентов. Таковых 57.
• К P-классу относят обращающихся вокруг обоих компонентов. Таковые обнаружены у NN Ser, DP Leo, HU Aqr, UZ For, Kepler-16 (AB)b, Kepler-34 (AB)b, and Kepler-35 (AB)b.

Если попытаться провести статистику, то выяснится[4]:

1. Значительная часть планет обитают в системах, где компоненты разделены в пределах от 35 до 100 а. е. , концентрируясь вокруг значения в 20 а. е.
2. Планеты в широких системах (> 100 а. е.) имеют массу от 0.01 до 10 MJ (почти как и для одиночных звёзд), в то время как массы планет для систем с меньшим разделением лежат от 0.1 до 10 MJ
3. Планеты в широких системах всегда одиночные
4. Распределение эксцентриситетов орбиты отличается от одиночных, достигая значений e = 0.925 и e = 0.935.

Важные особенности процессов формирования

Обрезание протопланетного диска.

В то время как у одиночных звёзд протопланетный диск может тянуться вплоть до пояса Койпера (30-50 а. е.), то в двойных звезд его размер обрезается воздействием второго компонента. Таким образом протяжённость протопланетного диска в 2-5 раз меньше расстояния между компонентами.

Искривление протопланетного диска.

Оставшийся после обрезания диск продолжает испытывать влияние второго компонента и начинает вытягиваться, деформироваться, сплетаться и даже разрываться. Также такой диск начинает прецессировать.

Сокращение времени жизни протопланетного диска

Для широких двойных систем, как и для одиночных, время жизни протопланетного диска составляет 1-10 млн лет. Однако для систем с расстоянием между компонентами менее 40 а. е. время жизни протопланетного диска составляет 0.1-1 млн лет.

Планетозимальный сценарий образования

Несовместные сценарии образования

Существуют сценарии в которых изначальная, сразу после формирования, конфигурация планетной системы отличается от текущей и была достигнута в ходе дальнейшей эволюции.

• Один из таких сценариев — захват планеты у другой звезды. Так как двойная звезда имеет гораздо больше сечения взаимодействия, то и вероятность столкновения и захват планеты у другой звезды существенно выше.
• Второй сценарий предполагает, что в ходе эволюции одного из компонентов, уже на стадиях после главной последовательности в изначальной планетарной системе возникают нестабильности. В результате которых планета покидает изначальную орбиту и становится общей для обоих компонент.

Как рождается новая звезда и как появляются планеты?

Рождение новой звезды

Как появляются планеты вокруг звезды

По теории Большого взрыва планеты образовались вследствие скопления космической пыли. Крупные потоки частиц притягивали более мелкие, с течением времени обретая увеличенные размеры. Так появилась планетная система, вращающаяся вокруг центральной звезды – Солнца. Но стоит отметить, что Солнце является звездой средней величины. Наша галактика насчитывает множество миллиардов звезд. И подобных галактик сотни миллиардов тоже. Подсчеты ученых показывают, что количество планет может достигать десятки миллиардов триллионов. Но тогда почему их так трудно отыскать?

Дело в том, что планеты не имеют собственного излучения. Их степень яркости зависит от звезд, свет которых они отражают. Особенно отдаленные планеты являются слабыми объектами для возможного их обнаружения и наблюдения. Для этих целей, ученые прибегают к исследованию гравитационного воздействия небесных тел в системе звезда-планета. Сила притяжения универсальна и звезды притягивают к себе планеты. Планеты, в свою очередь, так же обладают силой тяготения, но в менее значительной степени.

Чем отличается планета от звезды

Как упоминалось выше, главное отличие планеты от звезды в том, что она отражает свет, в то время как звезды способны его излучать. Кроме этого, имеются и другие существенные отличия. Звезда обладает более значительной массой и температурой, чем планеты. Температура на поверхности звезды может достигать 40 000 градусов. Как правило, по причине большой разницы в массе, планеты движутся вокруг звезд.

Планета не может стать звездой ввиду разного химического состава. Звезда содержит, преимущественно, легкие элементы. В то время как планета имеет, в том числе и твердые. Следует подчеркнуть, что на абсолютно всех звездах протекают различные ядерные и термоядерные реакции, которых на планетах никогда не наблюдалось. В порядке исключения, что-то подобное происходит на ядерных планетах, но проявления эти гораздо слабее.

Как рождаются планеты с несколькими Солнцами?

Это открытие может помочь объяснить, как рождаются планеты вокруг нескольких звезд и, в свою очередь, в один прекрасный день откроет много новых потенциальных местоположений инопланетных миров, говорят ученые.

Хотя Земля вращается вокруг одной звезды, почти половина солнцеподобных звезд находятся в двойных системах, которые состоят из двух звезд, вращающихся вокруг друг друга. На самом деле, есть много трехзвездных систем, и даже те, в которых проживает до семи звезд. Миры, которые вращаются вокруг двойных звезд, как вымышленная планета Татуин из «Звездных войн», известны как межкомпонентные планеты. Первый реальный чужой мир нашли около двух солнц, Kepler-16b, газовый гигант на орбите вокруг звезды Kepler-16 примерно в 200 световых годах от Земли.

Планеты рождаются из масс газа и пыли, кружащихся вокруг звезд. Образование планет является медленным процессом: один из протопланетных дисков должен существовать в течение длительного времени, прежде чем планета сможет сформироваться. Ученые считали, что мощное гравитационное притяжение двойных звезд будет оказывать слишком большое давление на вещество, чтобы оно могло легко слиться в протозвезду. Это сделало существование реальных планет в двойных системах немного таинственным.

Чтобы помочь разгадать тайну, как рождаются планеты в двойных системах, астрономы исследовали несколько звезд системы GG Тау, которой всего от 1 до 5 миллионов лет. Система находится на расстоянии около 450 световых лет от Земли, в созвездии Тельца.

Ученые думали, что GG Тау — двойная система из двух звезд: GG Тау-Аа и GG Тау-Ab. Оказалось, что GG Тау-Ab фактически состоит из двух очень близко расположенных звезд — GG Тау-Ab1 и GG Тау-Ab2. GG Тау-Аа и GG Тау-Ab находятся на расстоянии около 35 астрономических единиц друг от друга, в то время как GG Тау-Ab1 и GG Тау-Ab2 — около 4,5 а.е. GG Тау содержит большой, внешний диск, окружающий всю систему, а также внутренний диск вокруг своей главной звезды — GG Тау-Аа.

Ученые наблюдали за газом и пылью в GG Тау-A, используя Атакамскую Большую Миллиметровую/субмиллиметровую Решётку (ALMA) в пустыне Атакама на севере Чили. Ученые обнаружили большие, массивные сгустки газа, богатого окисью углерода, в регионе между двумя дисками, который предполагает, что материал течет из внешнего диска на внутренний диск, создавая нечто вроде спасательного круга между ними.

Кроме того, ученые подозревают, что молодая гигантская экзопланета может быть сформирована у внешнего края светлого кольца пыли и газа, на расстоянии около 250 астрономических единиц от звезды.

«Эти потоки газа и пыли позволяют диску вокруг отдельных звезд этой кратной системы выжить на протяжении достаточного для формирования планеты времени», сообщают ученые. «Мы должны исследовать, может ли молодая протопланета создать подобный разрыв во внешнем диске, который будет свидетельствовать о его реальной природе».

Ученые подробно изложат свои выводы в выпуске журнала Nature от 30 октября.

Как рождаются планеты

Астрономы подтвердили существование молодой газовой планеты, которая до сих пор продолжает формироваться из облака газа и пыли своей звезды. Впервые в истории ученые получили возможность изучить процесс формирования планеты на самом раннем этапе её эволюции.

Инфракрасная камера с высоким разрешением, установленная на очень большом телескопе проводила наблюдение за звездой HD 100546. Для того, чтобы подтвердить существование молодой планеты, исследователи проанализировали информацию, полученную на трех различных длинах инфракрасных волн. Анализируя полученные данные, международная команда во главе с Сашей Кванцем из Высшей технической школы (ETH) подтвердила гипотезу о том, что у звезды есть газовая планета-гигант. «Объект в данный момент находится на стадии формирования, его, возможно, окружает диск, из которого молодая планета продолжает «собирать» материал», — объясняет Саша Кванц,- «Мы располагаем уникальными данными, которые объясняют процесс формирования газовой планеты-гиганта».

Ранее процесс формирования гигантских газовых планет рассматривался только в теоретических моделях, либо при помощи компьютерного моделирования. «Теперь мы имеем настоящую природную «лабораторию», с помощью которой можем многое узнать об эволюции планет», — говорит Саша Кванц. По астрономическим меркам HD 100546 является молодой звездой, ей «всего лишь» 5-10 миллионов лет. Гигант находится на расстоянии 335 световых лет от Земли, поэтому его можно назвать нашим близким космическим соседом.

Новое открытие уже ставит вопросы перед исследователями: Находилась ли молодая планета всегда в этом положении, или она отдалилась от своей звезды со временем? С тех пор, как астрономы Мишель Майор и Дидье Квелоз открыли первую экзопланету, вращающуюся вокруг звезды солнечного типа, были выработаны новые теории формирования планет, включая возможные процессы миграции, которые объясняли, почему газовые гиганты вращаются вокруг своих планет-хозяек на таком близком расстоянии.

Предыдущие наблюдения за HD 100546 показали, что может существовать еще и дополнительная планета, находящаяся на расстоянии в пять раз ближе к звезде, чем новооткрытая планета-гигант. Если это так, астрономы смогут изучать процессы формирования множества газовых планет, находящихся в одной системе. Дальнейшие исследования будут проводиться с помощью множества радиотелескопов «ALMA», которые расположены в чилийской пустыне Атакама. При помощи них хотят доказать существование предполагаемого диска, который окружает планету, а также уточнить ее масштабы и массу.