Космические изгои. Что такое планеты-сироты и откуда они берутся

1 марта 12:00

2965

12 минут на чтение

Давайте проведём мысленный эксперимент: представим себе какую-нибудь планету. Кто-то, вероятно, вспомнит реальную планету Солнечной системы. А кто-то — один из миров научной фантастики: пустынный Арракис, огненную Крематорию или цветущую Пандору.

Визуализации могут быть очень разными — но в них наверняка есть одна общая деталь. Считается, что планета должна обращаться вокруг звезды (или, как Татуин, нескольких звёзд). Вот только это не всегда так. На самом деле в космосе есть огромное количество «бездомных» миров, которые не входят в состав звёздных систем. По мнению астрономов, их может быть даже больше, чем обычных планет. Поговорим о том, как возникают планеты-сироты (или планеты-изгои), могут ли они быть обитаемы и представляют ли угрозу для Земли.

Как найти планеты-сироты

Планета-изгой в представлении художника

NASA

Трудно сказать, кто первым задумался о существовании планет-изгоев. Но к середине XX века они уже прочно закрепились в фантастике — в основном в произведениях о катастрофах, сюжет которых строится вокруг встречи Солнечной системы с блуждающим космическим телом.

Однако до поры до времени концепция планет-сирот оставалась лишь теорией — многие испытывали обоснованные сомнения в том, что их существование удастся подтвердить. В конце концов, у астрономов не было технических возможностей для того, чтобы находить даже обычные планеты. А обнаружить «свободную» планету в разы сложнее: её нельзя вычислить по влиянию, которое она оказывает на свою звезду.

И тем не менее кандидат в планеты-изгои появился всего через несколько лет после того, как люди обнаружили первый мир у солнцеподобной звезды. Затем последовали новые находки. Сейчас список планет-сирот (подтверждённых и вероятных) насчитывает больше сотни наименований.

115 потенциальных планет-изгоев (красные кружки) в регионе между созвездиями Скорпиона и Змееносца

ESO/N. Risinger

Но как именно астрономы находят планеты в пустоте? Ведь методы поиска транзитов и измерения радиальных скоростей, благодаря которым были обнаружены свыше 90% известных внесолнечных миров, в этой ситуации не подходят.

Но способы всё же есть. Один из них — прямая съёмка. Благодаря ей учёные и сумели обнаружить первых кандидатов в планеты-изгои. Дело в том, что недавно сформировавшиеся тела разогреты до больших температур и активно излучают в инфракрасном диапазоне. Современные телескопы могут находить такие объекты размером с Юпитер — как правило, изучая регионы активного звездообразования.

Однако не всё так просто. Главная проблема метода прямой съёмки заключается в том, что астрономам довольно сложно определить массу новорождённых объектов и отличить крупный газовый гигант от коричневого карлика. Так называют тела с массой в диапазоне от 13 до примерно 75 масс Юпитера. Они занимают промежуточное положение между газовыми гигантами и звёздами. В недрах коричневых карликов могут идти термоядерные реакции, но их массы недостаточно, чтобы запустить постоянные реакции с участием водорода, — потому они не способны зажечься, как наше Солнце. Из-за этого статус многих планет-сирот пока не подтверждён — астрономы не уверены, действительно ли перед ними планета, а не маломассивный коричневый карлик.

Коричневый карлик класса Y, WISE 1828+2650, обнаруженный телескопом WISE

NASA, JPL-Caltech

Второй метод поиска планет-сирот — гравитационное микролинзирование. В случае выравнивания более близко расположенного к нам объекта и более далёкой фоновой звезды гравитация первого будет действовать подобно линзе, временно усиливая её свет. Обычно этот метод используют для поиска планет в звёздных системах. Но порой астрономам удаётся зафиксировать события микролинзирования, вызванные не звёздами, а невидимыми объектами, которые не излучают света и не входят в известные системы.

Главная особенность метода — его случайность. Микролинзирование — крайне редкое событие, которое длится всего несколько дней. А в случае с планетами-изгоями его вообще невозможно предсказать заранее. Тем не менее сейчас это единственный способ, позволяющий находить планеты-сироты, которые давно сформировались и успели остыть. Ещё он хорош тем, что позволяет довольно точно определять массу планеты и находить не только крупные газовые гиганты, но и тела, сопоставимые по массе с Землёй.

Если расстояние между фоновой звездой и планетой-изгоем невелико, вместо микролинзирования астрономы могут зафиксировать временное уменьшение блеска, вызванное её транзитом. Но такие события происходят ещё реже. Сейчас у учёных есть лишь один кандидат, которого обнаружили именно так.

Миры-изгнанники и субкоричневые карлики

Холодный объект планетарной массы (оранжевая точка), обнаруженный телескопом «Спитцер»

Meli thev

Но откуда вообще берутся «ничейные» планеты? Самый очевидный сценарий — их выбрасывание. Новорожденные звёздные системы обычно не отличаются стабильностью. Планеты часто меняют орбиты, нередки и гигантские столкновения. Гравитационные пертурбации, сопровождающие эти процессы, могут выкинуть какие-то объекты из системы в межзвёздное пространство.

Возьмём, к примеру, Солнечную систему. Сейчас она вполне стабильна. Но так было не всегда. Большинство астрономов считают, что 4 миллиарда лет назад она пережила драматические события, в ходе которых орбиты планет-гигантов изменились. Последствий было множество — например, полное переформатирование пояса Койпера. Часть его объектов перешла на более удалённые орбиты, часть устроила грандиозную бомбардировку внутренним планетам, ещё часть была выброшена за пределы системы. По результатам компьютерного моделирования, изначально в Солнечной системе могло быть не четыре, а пять газовых гигантов, один из которых выкинула гравитация Юпитера. С тех пор он скитается по Млечному Пути.

Конечно, у нас нет машины времени, чтобы отправиться в прошлое и проверить, точны ли модели астрономов. Но есть косвенные улики: межзвёздный астероид Оумуамуа и комета Борисова, которые пару лет назад пронеслись через Солнечную систему. Их существование говорит о том, что выбрасывание объектов из звёздных систем — обычное дело.

Астероид Оумуамуа в представлении художника

ESO/М

Есть и вторая возможность. Астрономы допускают, что часть планет-сирот никогда не обращалась вокруг звёзд и сформировалась прямо в космосе — в результате коллапса небольших газопылевых облаков. Для обозначения таких объектов иногда используют термин «субкоричневые карлики».

Согласно расчётам, минимальная масса объекта, возникшего подобным образом, не может быть меньше массы Юпитера. На практике же учёным удалось найти кандидаты в субкоричневые карлики, чьи массы лежат в диапазоне от 3 до 5 масс Юпитера.

А совсем недавно появились результаты ещё одного исследования. Его авторы пришли к выводу о том, что крупные планеты-сироты могут появляться при столкновениях околозвёздных дисков в молодых звёздных скоплениях с высокой плотностью «населения». Моделирование показывает, что из-за таких столкновений будут возникать вытянутые приливные мосты. Затем эти мосты распадутся на плотные фрагменты, способные сформировать объекты планетарной массы.

Сколько всего в космосе планет-сирот? Точный ответ нам неизвестен, но, судя по всему, много. Разные исследования дают диаметрально противоположные оценки. Но даже по самым скромным прикидкам, на каждую звезду Млечного Пути приходится несколько планет-сирот, причём большинство из них — землеподобные тела. Некоторые исследователи и вовсе выводят фантастическую цифру в 100 тысяч планет-сирот на одну звезду Млечного Пути. Если они правы, космос должен быть переполнен мирами, которые скитаются во мраке.

Жизнь во тьме

Титан, спутник Сатурна, в естественных цветах

NASA

Знания о планетах-изгоях ограничены, однако это не мешает астрономам задаваться вопросом: а может ли на них существовать жизнь? На первый взгляд, ответ очевиден — вдали от звезды планета остынет до абсолютного нуля и превратится в ледяной шарик.

Но в реальности всё сложнее. Во-первых, не стоит забывать: кроме энергии, получаемой от звёзд, у планет есть и собственные источники тепла. Например, тот же Юпитер излучает в 2,5 раза больше энергии, чем ему достаётся от Солнца. Это объясняется его гравитационным сжатием. А недра каменных планет могут подогреваться за счёт распада радиоактивных элементов.

Помогать планете вырабатывать тепло способен и крупный спутник. Когда Луна только сформировалась, она была примерно в 15 раз ближе к Земле, чем сейчас. Это вызывало очень сильные приливные взаимодействия и способствовало повышенной геологической активности — считается, что именно такие процессы стали одним из ключевых факторов для появления жизни.

Ещё одно художественное изображение планеты-изгоя

NASA

Газовые гиганты могут располагать системами из нескольких крупных лун вроде спутников Юпитера или Сатурна. Как мы знаем, под ледяными поверхностями многих из них скрываются огромные океаны жидкой воды. Они не замерзают из-за приливных взаимодействий с газовыми гигантами. Тот же механизм применим и к планетам-сиротам. С научной точки зрения нет разницы, обращается ли планета с таким спутником вокруг звезды или находится в свободном полёте. Вероятность возникновения жизни в подповерхностном океане определяется его химическим составом и тем, есть ли на его дне горячие источники.

Есть и более интересная возможность. У спутника Сатурна, Титана, плотная атмосфера — и у довольно массивной луны планеты-изгоя она тоже может быть. Если добавить приливной нагрев, то окажется, что у таких объектов земной массы будет достаточно высокая температура для того, чтобы на поверхности в течение сотен миллионов лет сохранялась жидкость — благоприятная среда для возникновения микробной жизни.

Возникает резонный вопрос — а сохранит ли «изгнанная» планета своё спутниковое семейство? Судя по всему, да. Результаты одного исследования показали, что более 47% лун могут оставаться привязанными к газовым гигантам. Моделирование выброшенных планет с массой Земли показало, что более 4% из них способны сохранить спутник размером с Луну. А субкоричневым карликам, которые формируются в космосе, в принципе не грозит потеря лун. Астрономы уже обнаружили кандидаты в планеты-сироты, окружённые дисками, — в будущем из них могут образоваться спутниковые семейства.

Художественное изображение планеты-изгоя размером с Землю, полностью покрытой льдом

NASA

Стоит упомянуть ещё один пусть и гипотетический, но весьма любопытный сценарий. У планеты, выброшенной из звёздной системы вскоре после формирования, может сохраниться богатая водородом атмосфера (она быстро разрушается, когда на неё воздействует мощное ультрафиолетовое излучение молодой звезды). Такая атмосфера непрозрачна в инфракрасном диапазоне и способна удерживать излучаемое планетой тепло, не давая ей остыть.

В 1999 году профессор Дэвид Стивенсон написал об этом статью, где представил результаты расчётов. Согласно им, землеподобный мир с очень плотной водородной атмосферой (на несколько порядков массивнее земной) смог бы сохранить температуру поверхности, достаточную для существования океанов. Некоторые земные микроорганизмы могут существовать в таких условиях. Но вот способна ли в подобном месте в принципе зародиться жизнь — это уже другой вопрос.

Когда сталкиваются миры

Но если в Млечном Пути так много планет-сирот, не может ли одна из них прилететь в Солнечную систему и столкнуться с Землёй? Подобный сюжет стал основой романа Филипа Уайли и Эдвина Балмера «Когда миры столкнутся», опубликованного в 1933 году, — он значительно повлиял на жанр научной фантастики и стал одним из главных источников вдохновения для комиксов о Флэше Гордоне.

Затем авторы нередко создавали произведения о незваных космических гостях. Некоторые делали акцент на катастрофических последствиях такого события, а некоторые помещали на планету-сироту пришельцев — у них зачастую были не самые добрые намерения.

Джордж Мартин избрал другой подход. Действие его романа «Умирающий свет» разворачивается на странствующей планете, которая попала в звёздную систему. За время вынужденной «стоянки» её жители успели построить города. Но теперь планета вновь удаляется в космос, обрекая на смерть всех, кто решит остаться на ней.

Самое известное произведение XXI века, где сюжет строится вокруг визита блуждающей планеты, — фильм «Меланхолия» Ларса фон Триера. Правда, там этот приём используется в драматических целях, а не для того, чтобы показать происходящее с научной точки зрения.

Но всё это в фантастике. А может ли Земля на самом деле стать жертвой планеты-изгоя? В теории это, конечно, возможно — но, к счастью для нас, очень маловероятно.

Результаты моделирования, проведённого в 2018 году, показали: самый правдоподобный сценарий в случае встречи звезды с планетой-сиротой — временный захват. Планета останется на удалённой орбите с большим эксцентриситетом и в результате гравитационных взаимодействий с другими телами с вероятностью в 90% вновь уйдёт в межзвёздное пространство.

«Меланхолия» Ларса фон Триера (2011)

Nordisk Film

То же исследование говорит, что примерно 1% звёзд Млечного Пути могут временно захватить планету в течение жизни. Но лишь 0,9% таких планет приблизятся на расстояние менее 50 а. е., примерно как пояс Койпера. Последствия захвата будут зависеть от массы планеты, её орбиты и конфигурации системы. Они могут варьироваться от возмущений в местном аналоге пояса Койпера и облаке Оорта (это приведёт к увеличению числа комет, прилетающих во внутреннюю часть системы, и частоты столкновений с ними) до нарушения орбитальных конфигураций (последствия этого будут куда серьёзнее).

Результаты другого исследования, проведённого учёным Гарреттом Брауном, говорят о том, что вероятность сближения Солнечной системы с планетой-сиротой в ближайшую тысячу лет составляет один к миллиарду. При этом речь идёт о дальнем сближении, во время которого планету-изгоя можно будет увидеть в мощные телескопы. По словам Брауна, риск того, что такое событие повлияет на Землю, — ещё один к двум тысячам. То есть общая вероятность неблагоприятного исхода — один к двум триллионам.

«Меланхолия» Ларса фон Триера (2011)

Nordisk Film

Но даже если подобный сценарий когда-нибудь случится, прямое столкновение в стиле «Меланхолии» всё равно крайне маловероятно. Конечно, для глобальной катастрофы достаточно и близкого пролёта: гравитационные пертурбации, вызванные визитом чужой планеты, приведут к опустошительным землетрясениям и извержениям по всему миру, за которыми, вероятно, последует изменение орбиты Земли, а это не сулит её обитателям ничего хорошего. При худшем исходе она сама может стать планетой-сиротой.

Впрочем, все эти теории подходят только для фильмов-катастроф — на практике они ничем не отличаются от страшилок про визит чёрной дыры или нейтронной звезды. Да, в нашей галактике могут скрываться триллионы планет-изгоев. Но не стоит забывать, что космос огромен — и вероятность того, что завтра Солнечная система столкнётся с чужой планетой, астрономически мала. Так что не стоит об этом переживать — гораздо реальнее погибнуть, свалившись с кровати или получив кокосом по голове. Но ведь такие события не подойдут для захватывающей книги или фильма.

Убегающая Земля

Стоит упомянуть ещё один сценарий, любимый фантастами. В нём само человечество делает Землю странствующей планетой — так происходит, например, в романе «Бегство Земли» Франсиса Карсака или в повести Лю Цысиня «Блуждающая Земля». В этих произведениях рискованный проект воплощали из-за скорой гибели Солнца.

К счастью, в реальности наше светило — очень стабильная звезда, ей не грозит затухание или внезапное превращение в сверхновую. Однако если предположить, что спустя миллиарды лет на Земле всё ещё сохранится цивилизация, то придётся признать: ей действительно предстоит пережить превращение Солнца в красный гигант. Отодвинуть орбиту планеты в такой ситуации будет разумно — это подарит несколько дополнительных миллиардов лет комфортного существования.

Решить эту задачу предлагалось разными способами. Один из них — оснащение Земли гигантским электрическим ракетным двигателем, расположенным на высоте в тысячи километров (то есть за пределами атмосферы), но при этом прочно соединённым с поверхностью, чтобы передавать толкающую силу. Для изменения орбиты понадобится выбросить ионы, эквивалентные «всего лишь» 13% массы нашей планеты.

Другая идея — использовать огромный отражатель, который будет смещать Землю за счёт светового давления. Расчёты показали, что для корректировки орбиты в течение одного миллиарда лет потребуется диск, диаметр которого в 19 раз больше диаметра планеты. О том, какое влияние подобное «освещение» окажет на климат, авторы проекта благополучно умалчивают.

Художественное изображение сферы Дайсона

Archibald Tuttle

Способ, который считают более адекватным, чем все остальные, — «космический бильярд» с использованием крупных астероидов диаметром не менее 100 километров. Их орбиты нужно изменить так, чтобы они пролетали рядом с нашей планетой и придавали ей импульс. По оценкам специалистов, потребуется миллион таких сближений с интервалом в несколько тысяч лет, чтобы орбита Земли изменилась и она вышла из опасной зоны.

Корректировка орбиты астероида выглядит куда правдоподобнее упомянутых выше альтернатив — человечество уже проводило такие эксперименты, пускай и в меньшем масштабе. Однако реализация этого проекта сопряжена с огромным количеством сложностей — от риска случайной бомбардировки Земли до изменения наклона оси и потери Луны.

Но это ещё цветочки. Кроме изменения орбиты Земли, есть и концепция так называемой «звёздной машины» — гигантского астросооружения в стиле сферы Дайсона, которое должно использовать огромные солнечные паруса и двигатели для перемещения всей Солнечной системы. Машина могла бы пригодиться при катастрофическом визите блуждающей чёрной дыры или всё той же планеты-сироты.

Сейчас эти проекты — не более чем занятные мысленные эксперименты. Для их реализации необходимо, чтобы человечество стало по-настоящему единым космическим видом, который освоит Солнечную систему. Хотелось бы верить, что такой сценарий окажется вероятнее, чем визит незваной планеты.