Первая планета, открывшая астрономические пробелы, заполняет наше “недостающее звено”.

Планеты вырастают из протозвездного материала в виде дисков, что со временем приводит к образованию полноценных планетных систем. Наконец, последний пробел заполнен.

Начинается с Взрыва и масштабных размышлений.

12 ноября

Это составное изображение системы WISPIT 2, включая экзопланету WISPIT 2b (справа), было получено с помощью телескопа Magellan в Чили и Большого бинокулярного телескопа в Аризоне. Видимые кольца представляют собой материал протопланетного диска, что делает WISPIT 2b первой экзопланетой, обнаруженной в пылевых промежутках внутри протопланетного диска. 

автор: Лэрд Клоуз, Университет Аризоны.

Здесь, в нашей Вселенной, мы могли бы быть уверены в одной вещи еще до того, как начали исследовать или даже обнаруживать миры, отличные от нашего собственного, — в том, что во Вселенной действительно есть механизм создания планет и планетных систем на орбитах вокруг звезд. У нас есть несколько чрезвычайно убедительных доказательств, указывающих на то, что для этого должен быть путь: существование Земли и других планет, вращающихся вокруг нашего собственного Солнца. Поскольку мы существуем, и наша планета, и другие планеты Солнечной системы существуют, то у Вселенной должен быть какой-то способ создания этих планет.

Так как же на самом деле происходит формирование планет в нашей Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно обратиться к самой Вселенной. Конечно, у нас есть теории, которые подробно описывают, как могли образоваться планеты, и, объединив две области астрономии, которые могут показаться едва ли связанными — космологию и изучение экзопланет, — мы можем узнать очень многое о космической истории, которая приводит к появлению планет. Но даже учитывая все, что мы узнали из этого, включая условия, при которых у звезд могут появиться планеты, у нас все еще есть пробелы в нашем понимании. В идеальном мире у нас вообще не было бы пробелов: мы могли бы шаг за шагом проследить историю формирования планет, от дозвездного облака вещества до полностью сформировавшейся системы зрелых планет. Поскольку у нас нет десятков миллионов лет, чтобы сидеть сложа руки и наблюдать за формированием и эволюцией системы, это может показаться невозможным. Но с новым открытием в 2025 году планеты ВИСПИТ 2b мы, наконец, добавили последнее “недостающее звено” в космическую историю формирования планет. Вот что мы знаем и как мы к этому пришли.

На этой анимации показано очищенное изображение для публичного показа вместе с аннотированным изображением, найденным в научной статье об открытии экзопланеты WISPIT 2b: первой экзопланеты, когда-либо обнаруженной в промежутке между двумя кольцами внутри протопланетного диска. Она была обнаружена с помощью прибора SPHERE, установленного на борту очень большого телескопа ESO. 

Фото: ESO/ Р. Ф. ван Капеллевен и др., Astrophysical Journal Letters, 2025

С космической точки зрения, мы знаем, что у самых первых звезд во Вселенной вообще не могло быть планет. После горячего Большого взрыва Вселенная прошла через несколько важных этапов своей ранней эволюции.

• Раннее состояние кварк-глюонной плазмы охлаждалось, образуя связанные адроны, что, в частности, привело к образованию плотного расширяющегося моря, заполненного протонами и нейтронами.
• Чуть позже начали происходить ядерные реакции, когда протоны и нейтроны сливались вместе, не распадаясь сразу же на части, создавая первоначальное изобилие легких элементов и их изотопов.
• А затем, значительно позже, образовались нейтральные атомы, за которыми последовал гравитационный рост сверхплотных областей. Как только в одном из пространственных пространств накопится достаточное количество вещества, впервые во Вселенной может, наконец, произойти звездообразование.

Но на этих ранних стадиях формирование планет невозможно. Когда образуются новые звезды, их, несомненно, окружают обильные запасы материала, который, как вы думаете, может в конечном итоге образовать планету. Однако этот материал состоит почти исключительно из водорода и гелия: около 99,99999991% водорода и гелия по массе. При таком малом количестве тяжелых элементов все, что не превращается в звезду, просто улетучивается.

Что же тогда потребуется для того, чтобы образовались планеты? Нам потребуется, по крайней мере, достаточное обогащение этого звездообразующего материала, чтобы вообще обеспечить существование планет. Здесь, в нашей собственной Солнечной системе, где у нас есть восемь известных планет, мы можем быть уверены, что мы превысили этот порог обогащения. Но существует ли жесткая граница, выше которой мы почти гарантированно сформируем планеты, в то время как ниже нее формирование планет запрещено? Чтобы ответить на этот вопрос, у нас есть способ выяснить это: мы можем посмотреть на ближайшие к нам звезды и поискать планеты вокруг них. Затем, в то же время, мы можем измерить содержание тяжелых элементов (то, что астрономы называют “металличностью”) в родительской звезде (или звездах) и посмотреть, у каких звезд есть планеты, а у каких нет.

Как оказалось, здесь, в нашем современном Млечном Пути, около 80-90% звезд, которые мы можем обнаружить, имеют планеты вокруг себя, но не на 100%. Похоже, что если в нашем Солнце содержится около 25% или более тяжелых элементов, то у вас почти гарантированно будут планеты. Если содержание тяжелых элементов в нашем Солнце составляет от 8% до 25%, то у вас могут быть планеты, а могут и не быть. И если вы посмотрите на звездные системы, содержащие менее 8% тяжелых элементов, входящих в состав Солнца, то увидите, что очень немногие из них имеют планеты, а менее 1% систем вообще не имеют планет. В книге описано более 6000 обнаруженных экзопланет, и это говорит нам о том, где планеты сформировались, а где нет.

Эта информация служит отправной точкой для нашего большого вопроса о формировании планет: как нам перейти от газового облака, которое собирается сжаться и образовать звезды, к полноценной звездной системе с системой планет вокруг нее?

Прежде чем мы перейдем к доказательствам, мы должны быть справедливы к теоретикам и отметить, что существует, по крайней мере, набросок теории формирования планет, которой уже много десятилетий: она старше, чем любые имеющиеся у нас данные наблюдений о том, как на самом деле формируются планеты. Последовательность действий, которые должны быть выполнены, выглядит следующим образом.

• 
  Во-первых, газовое облако коллапсирует и фрагментируется, что приводит к появлению множества различных участков внутри газового облака, где образуется либо новая звезда (единичная), либо система из новых звезд (двух или более).
• Затем вокруг этих протозвезд образуется дискообразное распределение газа и пыли, состоящее из тех же элементов, из которых состоят звезда и ее газовое облако-прародитель.
• Через некоторое время в однородном диске начинают проявляться неустойчивости, в том числе разрывы, спирали и плотные кольца материала, что приводит к появлению сложной структуры внутри этих дисков.
• В какой-то момент, обычно после превращения протозвезды в полноценную звезду, этот околозвездный материал (т.е. материал, который окружает звезду) уносится прочь, уничтожая протопланетный диск и оставляя лишь ряд планет плюс остатки пылевого мусора.
• И, наконец, на более позднем этапе развития звездной системы пыльные обломки также удаляются, оставляя после себя только зрелую планетную систему.

Именно так, по крайней мере теоретически, должны формироваться планеты.

Многие из этих шагов имеют убедительные доказательства. Например, как вы можете видеть на изображении выше, вы можете заглянуть внутрь областей звездообразования и наблюдать протозвездные ядра множества вновь формирующихся звезд, обнаруженных внутри. То, что мы при этом обнаруживаем, чрезвычайно обнадеживает: газовые облака, которые коллапсируют, образуя новые звезды, действительно подвергаются фрагментации. Когда мы видим недавно сформировавшееся звездное скопление с сотнями, тысячами или даже десятками тысяч новых звезд внутри, легко предположить, что только намного позже, когда скопление распадется, наши современные звездные системы в основном состоят из синглетных, двойных и тройных звездных систем (с возникает несколько более крупных многозвездных систем). Но эти современные данные с высоким разрешением, полученные с помощью телескопов, таких как Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), показывают, что двойные и тройные системы распространены даже на самых ранних стадиях звездообразования, и что, хотя синглетные звезды по-прежнему составляют большинство, это в основном низкочастотные системы.звезды с большой массой образуют синглеты, в то время как звезды с самой высокой массой, как правило, образуют многозвездные системы. Основываясь на лучших данных наблюдений, которыми мы располагаем, похоже, что первый теоретический шаг в формировании планет был сделан совершенно правильно: газовые облака сжимаются и фрагментируются, что приводит к появлению множества различных, разобщенных участков, где возникают новые звезды и протозвезды.

Затем мы можем заглянуть в несколько более развитые области звездообразования, такие как близлежащая туманность Ориона, и найти молодые звезды и протозвезды, вокруг которых все еще есть протопланетные диски. Действительно, эти системы невероятно распространены везде, где происходит постоянное рождение новых звезд, а туманность Ориона просто представляет собой ближайшее к нам место, где все еще продолжается большое количество новых звездообразований. Более 100 объектов, содержащих протопланетные диски — молодые звезды и протозвезды — были обнаружены только в туманности Ориона с помощью объединенных данных, полученных с помощью Hubble, JWST, ALMA, а также других инфракрасных и радиотелескопов.

Первоначально эти протопланетные диски казались нам просто сгустками: темными силуэтами в видимом свете и яркими источниками излучения в инфракрасном диапазоне длин волн. Однако по мере того, как мы начали использовать более совершенные методы, используя изображения с высоким разрешением, улучшенные современными приборами, и метод интерферометрии с очень длинной базовой линией, мы начали исследовать эти протопланетные диски на предмет наличия в них особенностей. Это особенно полезно, когда диск виден лицевой стороной (в отличие от диска с ребрами или сильно наклоненного), иногда мы видим однородные, безликие диски, но в других случаях мы видим такие особенности, как спиральные волны, кольца или промежутки внутри этих дисков.

Начиная с начала 2020-х годов, мы начали замечать разницу в возрасте между системами, которые были безликими, и системами, которые демонстрировали неоднородные характеристики. В частности, эти протопланетные диски были разделены на три категории:

• системы возрастом менее 0,5 миллионов лет, все из которых, по-видимому, имели одинаковые диски,
• системы возрастом более 2 миллионов лет, все из которых, по-видимому, имели многофункциональные диски,
• и системы возрастом от 0,5 до 2 миллионов лет, где некоторые из них имеют однородные диски и некоторые элементы отображения.

Кроме того, в системах, возраст которых значительно превышает 10 миллионов лет, как правило, полностью отсутствуют протопланетные диски, что указывает на то, что процесс формирования планет во Вселенной начинается рано и завершается относительно быстро.

Обнаружение таких особенностей, как “промежутки” и “кольца” в протопланетных дисках, является относительно распространенным явлением, и обычно предполагается, что причина этих промежутков и колец проста: это области, где протопланетный материал был “поглощен” планетами и протопланетками, которые формируются именно в этих местах. Там больше нет материала, потому что он уже сформировался в планету; молодая планета уже очистила свою орбиту от потенциально планетообразующего материала. Это было подтверждено в 2023 году обнаружением экзопланет PDS 70b и PDS 70c в одной и той же системе: они были обнаружены во внутренних частях очищенной молодой звездной системы, у которой все еще сохранился внешний протопланетный диск.

Конечно, в более поздние периоды мы обнаружили множество полностью зрелых планет в планетных системах — в том числе с помощью прямых снимков, когда они находятся на достаточном расстоянии от родительской звезды — как в системах, где все еще есть мусорный диск, так и в системах, где пылевой мусорный диск полностью испарился. Таким образом, может показаться, что мы проделали феноменально долгий путь в изучении происхождения экзопланет. Ядра протозвезд образуются в результате гравитационного коллапса, у этих протозвезд образуются околозвездные диски, в этих дисках развивается нестабильность, которая приводит к разрывам в диске, где внутри этих дисков образуются протопланеты и, в конечном итоге, полноценные планеты, а затем сами диски испаряются, оставляя после себя зрелые планетные системы. Однако в этой цепочке взаимопонимания уже давно отсутствует одно звено. Хотя мы можем сфотографировать диски и увидеть промежутки внутри них, а также непосредственно увидеть планеты на более поздних стадиях эволюции, вращающиеся вокруг своих звезд, мы никогда не видели диска с промежутками, который также содержал бы наблюдаемую планету внутри этих промежутков. Другими словами, мы только подозревали о наличии планет внутри этих промежутков в протопланетных дисках; мы никогда не обнаруживали их непосредственно. Или, по крайней мере, так было до тех пор, пока всего пару месяцев назад, в 2025 году, не была обнаружена первая планета в протопланетном диске — WISPIT 2b.

В двух статьях, недавно опубликованных в Astrophysical Journal Letters, прямое изображение протопланетного диска вокруг звезды-аналога солнца WISPIT 2 с высоким разрешением выявило множество различных свойств. Есть:

• протяженный диск, протяженность которого в сотни раз превышает расстояние от Земли до Солнца,
• с многокольцевой структурой внутри диска, намекающей на присутствие планет в промежутках между кольцами,
• и молодая, массивная протопланета, заключенная в одном из промежутков и движущаяся вместе со своей звездой-хозяином.

Эта планета, WISPIT 2b, является первой однозначно идентифицируемой планетой, обнаруженной внутри многокольцевого диска, с впечатляющей массой, в 4,9-5,3 раза превышающей массу Юпитера. Это значительно ниже порога превращения в коричневого карлика (для чего требуется по меньшей мере 13 масс Юпитера), возраст родительской звезды соответствует ранее открытой хронологии формирования планеты (ей около 5 миллионов лет), а сама звезда находится относительно близко — на расстоянии 133 парсеков (~430 световых лет) на расстоянии. Исследования также показывают, что масса этой молодой планеты продолжает накапливаться, увеличиваясь со скоростью 4,5 квадриллиона тонн в год, или примерно на величину массы более крупного спутника Марса Фобоса на ежедневной основе.

Хотя есть также косвенные доказательства существования второй, еще более массивной планеты (примерно в 9 раз больше массы Юпитера), расположенной ближе к родительской звезде, главная новость заключается в том, что самое важное “недостающее звено” в истории формирования планет — несоответствие между тем, где образуются промежутки и когда образуются планеты. появление — теперь дополнено открытием WISPIT 2b. Теперь мы можем быть уверены: да, действительно, есть доказательства того, что, когда мы видим разрывы в этих протопланетных дисках, мы можем быть уверены, что планеты действительно образуют эти разрывы. Тот факт, что размер разрыва и масса планеты совместимы с теоретическими моделями физики, только усиливает научные аргументы в пользу такой интерпретации.

Интересно, что это говорит о том, что прямые наблюдения близлежащих молодых звезд с высоким разрешением, выполненные с использованием современных технологий, могут выявить, по крайней мере, самые массивные новые планеты, которые могли образоваться в этих звездных системах. Там, где мы видим разрывы в протопланетных дисках, теперь у нас есть прямые доказательства, связывающие наличие планет с существованием этих разрывов: возможно, даже все 100% разрывов в этих дисках вызваны планетами. В обзоре WISPIT, обозначающем планеты, находящиеся на значительном удалении друг от друга во времени, используется инструмент SPHERE, установленный на Очень большом телескопе ESO, и адаптивная оптическая система MagAO-X Университета Аризоны, установленная на телескопе Carnegie science Magellan, — два из нашего нынешнего поколения телескопов флагманского класса. Почти наверняка в ближайшие годы в промежутках между протопланетными дисками будет обнаружено больше планет, что даст нам первое полное подтверждение сценария того, как на самом деле формируется большинство планет во Вселенной.

Существует три теории, объясняющие миграцию планет: первая описывает процесс, в котором газовый диск эффективно выталкивает или притягивает планету к новому положению; вторая возникает в результате гравитационного взаимодействия между соседними телами, когда крупный объект может отбросить более мелкий и тем самым создать равную и противоположную результирующую силу, направленную обратно на него; третья связана с другим гравитационным эффектом — приливными силами, которые в основном возникают между звездой и планетой и приводят к формированию более круговых орбит. Как бы удивительно это ни звучало, но широко распространено мнение, что миграция планет существенно повлияла на архитектуру Солнечной системы. На самом деле её динамичное прошлое объясняет существование и свойства некоторых объектов Солнечной системы и показывает, что наша планетная система, возможно, не так уникальна, как считалось ранее. Так как же перемещались планеты с момента своего образования?

Всё началось с миграции внутрь Солнечной системы самой большой планеты — Юпитера. Считается, что газовый гигант, масса которого превышает массу всех остальных планет вместе взятых, переместился на орбиту Марса, расположенную в 1,5 астрономических единицах от Солнца, а затем вернулся на своё нынешнее место, которое почти в четыре раза дальше. К счастью для Марса, это произошло примерно через 600 миллионов лет после зарождения Солнечной системы (около 4 миллиардов лет назад), когда ещё не сформировались планеты земной группы и в небе господствовали только четыре газовых гиганта. В то время Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имели гораздо более компактные орбиты и были окружены плотным диском из мелких ледяных объектов.

Юпитер приблизился к Солнцу в результате первого типа миграции планет — газовой, которая проявляется по-разному в зависимости от массы планеты. Для планет с малой массой, таких как Земля, этот механизм срабатывает, когда орбита планеты возмущает окружающий её газовый или планетезимальный диск, вызывая в нём спиральные волны плотности. Может возникнуть дисбаланс между силой взаимодействия со спиралями внутри и снаружи орбиты планеты, в результате чего планета будет приобретать или терять угловой момент. Если планета теряет угловой момент, она мигрирует внутрь системы, а если приобретает — наружу. Это явление известно как миграция I типа и происходит в короткие сроки по сравнению с периодом жизни аккреционного диска.

В случае с планетами с высокой массой, такими как Юпитер, их сильное гравитационное притяжение создаёт в диске значительный разрыв, который завершает миграцию I типа и позволяет начаться миграции II типа. Здесь материал попадает в разрыв и, в свою очередь, перемещает планету и разрыв внутрь диска в течение времени аккреции диска. Считается, что этот механизм миграции объясняет, почему в других планетных системах горячие юпитеры находятся в такой близости от своих звёзд. Третий тип миграции, вызванной движением газа, иногда называют неудержимой миграцией. В этом случае крупномасштабные вихри в диске быстро притягивают планету к звезде за несколько десятков оборотов.

Наилучшее понимание того, как перемещались планеты на протяжении эволюции нашей системы, даёт Ниццкая модель, предложенная международной группой учёных в 2005 году. Согласно этой модели, на внутреннем краю ледяного диска, примерно в 35 а. е. от Солнца, самая дальняя планета начала взаимодействовать с ледяными планетезималями, что привело к гравитационному рассеянию — второму типу миграции. Кометы перебрасывались с одной планеты на другую, что постепенно привело к смещению Урана, Нептуна, Сатурна и пояса Койпера наружу. Мощная гравитация Юпитера выбрасывала ледяные объекты, которые достигали его, на высокоэллиптические орбиты или вовсе за пределы Солнечной системы, что, в целях сохранения углового момента, ещё больше ускоряло их движение внутрь.

Дополнением к этой теории является «модель «Большого галса»», названная так из-за необычного направления движения Юпитера к Солнцу, после чего он остановился и снова начал удаляться от него, подобно паруснику, идущему галсами вокруг буя. На том расстоянии, где впоследствии сформировался Марс, из-за присутствия Юпитера произошло смещение материала. Это привело к замедлению роста Марса и образованию богатой материалом области, из которой сформировались Земля и Венера, что объясняет их размеры. Из-за сильного гравитационного воздействия газового гиганта каменистые частицы в поясе астероидов не слипались в более крупные тела. Хотя Юпитер дважды менял своё положение относительно пояса астероидов, движения были настолько медленными, что столкновения были минимальными и происходили скорее как плавное смещение.

Но почему миграция Юпитера в огненные недра Солнца прекратилась? За это нужно благодарить Сатурн. Когда две планеты стали удаляться друг от друга, считалось, что они временно вошли в орбитальный резонанс 2:1. Это означало, что на каждый оборот Сатурна вокруг Солнца Юпитер совершал два оборота. Модель Ниша показала, что взаимодействие планет увеличило их орбитальные эксцентриситеты и быстро дестабилизировало всю систему. Юпитер вытеснил Сатурн наружу, подтолкнув Нептун и Уран к чрезвычайно эллиптическим орбитам, на которых они гравитационно рассеяли плотный ледяной диск далеко во внутренней и внешней частях Солнечной системы. Это нарушение, в свою очередь, привело к рассеиванию почти всего изначального диска. Некоторые модели также показывают, что Нептун прошёл мимо Урана и стал самой дальней от Солнца планетой, какой мы её знаем. Со временем орбиты самых дальних планет вернулись к почти круговым траекториям, которые мы наблюдаем сегодня.

«Хорошая модель» объясняет отсутствие в наши дни плотной популяции транснептуновых объектов, а также расположение пояса Койпера и облака Оорта. Она также объясняет наличие в поясе астероидов смеси ледяных и каменистых объектов, таких как богатая водой карликовая планета Церера, которая, вероятно, возникла из ледяного пояса. Быстрое рассеивание ледяных объектов около 4 миллиардов лет назад совпало с началом периода поздней интенсивной бомбардировки, следы которой в основном сохранились на хорошо изученной поверхности Луны. Однако у первоначальной модели Ниццы есть проблемы: некоторые симуляции показали, что постепенное резонансное взаимодействие Юпитера и Сатурна в соотношении 2:1 привело бы к крайне нестабильной внутренней части Солнечной системы, из которой был бы выброшен Марс. Более поздние исследования привели к появлению «модели Ниццы 2», которая частично предполагает, что постепенное рассеяние планетезималей привело к тому, что два газовых гиганта вступили в орбитальный резонанс 3:2 (а не в изначально предполагаемый 2:1), что позволило модели Ниццы работать со стабильной внутренней частью Солнечной системы.

Последний механизм миграции планет связан с приливным взаимодействием между различными небесными телами. В отличие от миграции под действием газа и гравитационного рассеяния, приливные силы действуют в течение гораздо более длительного периода — миллиардов лет. Процесс начинается из-за механизма Козаи, который, как предполагается, увеличивает эксцентриситет орбиты планеты. По мере того как приливные силы корректируют этот эффект, возвращая орбиту в круговое движение, планета приближается к Солнцу. Хотя считается, что орбиты планет земной группы оставались относительно стабильными на протяжении всей эволюции Солнечной системы, этот постепенный процесс, вероятно, немного изменил их траектории, и эта тенденция сохранится.

Знания о том, как развивалась наша собственная планетная система, помогли ответить на многие вопросы о необычных орбитах экзопланет, но нам ещё многое предстоит узнать. Один из таких вопросов: почему мы наблюдаем так много «горячих юпитеров» в непостижимо близком к их звезде положении, ведь без влияния другого крупного тела они должны были бы в конечном счёте быть поглощены? Возможно, взаимодействие между планетой и диском ослабевает в такой близости от звезды и преобладают приливные силы, или, может быть, мы наблюдаем момент, когда планета вот-вот встретит свою судьбу. Пока что об этом могут сказать только время, дальнейшие наблюдения и, самое главное, открытие новых экзопланет!

источник: https://blog.planethunters.org/2014/05/09/the-role-of-planetary-migration-in-the-evolution-of-the-solar-system/?utm_source=substack&utm_medium=email

Обратные ссылки / Pingbacks

1. Роль планетарной миграции в эволюции Солнечной системы — Привет, Spaceboy — 27 февраля 2020 года
2. От хаоса к порядку в звёздных системах — She Speaks Science — 16 апреля 2020 года