Новое исследование размеров экзопланет и расстояния их до звезд доказывает уникальность нашего мира
Автор: Лорен Вайс
Насколько особенной является солнечная система? История астрономии была в основном односторонним путешествием от мировоззрения, в котором наша звёздная система упорядочена (и божественна) — к взгляду, в котором мы лишь одни из многих. Планеты, которые когда-то считались танцующими в предопределенных Богом совершенных кругах «музыки сфер», уже давно не путешествуют по «круговым орбитам». Иоганн Кеплер, который доказал этот факт, пытался восстановить ощущение божественности, создав новую схему на основе математики Платона — но это понятие было опровергнуто много лет спустя с открытием Урана.
Поэтому, когда солнечным днем в Калифорнии в прошлом году я обнаружила набор закономерностей, которые, кажется, управляют планетными системами, отличными от нашей, то была настроена скептически. Были ли эти модели реальны или являлись лишь иллюзией? И если они были реальны, то каково место нашей солнечной системы в космосе?
Сегодня мы знаем о более чем 400 многопланетных системах, во многом благодаря Миссии Кеплер — космического корабля NASA (названный в честь немецкого астронома 17-го века), который был запущен в 2009 году с единственной целью обнаружения экзопланет — миров, вращающихся вокруг других звезд. Он находит эти экзопланеты, непрерывно измеряя яркость около 100 000 звезд и ожидая, пока свет какой-либо из них немного тускнеет из-за тени между звездой и аппаратом. Движение каждой планеты уникально, что позволяет обнаружить несколько планет, вращающихся вокруг одной и той же звезды.
Вот какую закономерность я обнаружила в тот солнечный день: планеты в одной системе имеют одинаковый размер. Например, если одна планета в 1,5 раза больше радиуса Земли, другие планеты в системе с большой вероятностью также будут в 1,5 раза больше радиуса Земли, плюс-минус немного.
Это совсем не то, что я и мои коллеги ожидали. В нашей солнечной системе планеты варьируются от размеров Меркурия (меньше половины радиуса Земли) до Юпитера (в десять раз больше). Вся популяция экзопланет, обнаруженных Кеплером, колеблется от четверти размера Земли до примерно двадцати размеров. Тем не менее, несмотря на такой широкий диапазон возможных величин, планеты в одной «экзосистеме» имеют примерно одинаковые размеры с соседями. Один из моих сотрудников решил, что они выглядят как «горох в стручке», так мы и назвали этот шаблон.
Чтобы проверить, был ли шаблон «горох в стручке» реальным, я создала (на своем ноутбуке) воображаемые планетные системы, в которых размеры планет, вращающихся вокруг данной звезды, были случайными. И программа выдала отрицательный ответ: в более чем 1000 сгенерированных систем, пропущенных через виртуальную схему детекции Кеплера, планет одинакового размера в одних и тех же системах так и не появилось. Этот вычислительный эксперимент не соответствует результатам наблюдения космического аппарата. Таким образом, одинаковые размеры планет — это настоящий астрофизический паттерн.
В дополнение к одинаковым размерам, планеты в системах паттерна «горох в стручке» также имеют регулярный орбитальный интервал. Мы обнаружили, что орбитальное расстояние между первой парой планет является хорошим предиктором орбитального расстояния третьей планеты и четвертой и так далее. (Регулярное расстояние также существует в нашей солнечной системе до Урана и называется Законом Тиция-Боде, но Нептун и Плутон не соответствуют этому шаблону). Кроме того, существует связь между размерами планет и расстоянием между ними: системы с наименьшими размерами планет также имеют самые близкие орбитальные расстояния.
Что означают эти шаблоны? Формирование планет, безусловно, регулируется законами физики, но у нас нет четкого описания того, как эти законы проявляются в среде планеторождения. Теории формирования планет были в основном написаны до открытия первой экзопланеты; их целью было объяснить возникновение нашей собственной солнечной системы из диска газа и пыли. Широко принятая (но недоказанная) теория предполагает появление так называемых «олигархов», молодых предшественников планет, каждый из которых влияет на полосу фиксированной ширины внутри диска вокруг звезды (Плутон больше не считается планетой, потому что никогда не был достаточно большим, чтобы являться олигархом).
Теория олигархии предсказывает, что олигархи примерно одинаковой массы располагаются через равные промежутки пространства, причем размер олигарха зависит от ширины его «влияния». Однако, поскольку наша солнечная система не является системой планет равной массы с регулярным интервалом, подъем олигархов считается простой главой в истории нашей солнечной системы, ранним паттерном, который позднее был переписан сильными ударами, которые сформировали нашу очень разнородную систему.
И все же сотни экзопланет демонстрируют паттерн, который в качественном смысле напоминает наших давно потерянных олигархов. Возможно, горох в стручке — это пожилые олигархи. Если это так, то как им удалось избежать небесных столкновений, которые формировали в свою очередь нашу солнечную систему? Возможно, мы найдём ответ, если продолжим измерять фундаментальные свойства планет шаблона «горох в стручке». Или мы могли бы найти дополнительные планеты в этих системах, которые нарушают схему, так же как открытие Урана внесло смуту в предложенный Кеплером шаблон для орбит нашей солнечной системы. Несмотря на это, я думаю, что Кеплер был бы рад видеть, что благодаря телескопу с его именем мы обнаружили схему, которая соответствует не одной, а сотням планетных систем.
Примечание: автор работала в докторантуре Троттье в Университете Монреаля, когда выполняла исследование, описанное выше, позднее оно было опубликовано в Астрономическом журнале. В научной работе использовались данные миссии Кеплера НАСА и обсерватории У. М. Кека на Мауна-Кеа, Гавайи.
Оригинал: Scientific American
