Раньше считалось, что звезды сначала формируются полностью, и только потом вокруг них начинают появляться планеты. Но ученые из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) предложили другую модель: планеты могут зарождаться уже на последних этапах рождения звезды, а не после, как думали раньше.

Среди тысяч известных экзопланет есть множество компактных систем, где несколько планет вращаются очень близко к своей звезде. В нашей Солнечной системе такого нет — даже Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, находится дальше, чем многие из этих миров. Но самое интересное — в этих системах общая масса планет по отношению к массе звезды почти всегда одинакова. Почему так?

Доктор Ралука Руфу и доктор Робин Кануп из SwRI провели сложные расчеты и выяснили: если планеты начинают формироваться еще до того, как звезда полностью сформировалась, то в итоге получаются как раз такие компактные системы. Их модель объясняет и тесные орбиты, и загадочное постоянство массового соотношения. Более того, наблюдения телескопа ALMA за молодыми звездами тоже подтверждают, что планеты могут появляться раньше, чем считалось.

Компактные системы — одна из главных загадок экзопланетной астрономии, — говорит Руфу, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. — В них несколько каменистых планет примерно одного размера, как горошины в стручке, и у всех — странно одинаковое соотношение массы к звезде.

Любопытно, что это соотношение похоже на то, что мы видим у спутников газовых гигантов вроде Юпитера, — добавляет Кануп. — Их луны сформировались, когда сами планеты уже почти завершили свой рост. Возможно, компактные системы планет — результат похожего процесса.

Звезда рождается, когда облако газа и пыли сжимается под действием собственной гравитации. Материал падает к центру, образуя диск вокруг будущей звезды.

Когда падение вещества прекращается, диск существует еще несколько миллионов лет, а потом рассеивается.

Именно в нем формируются планеты — сначала из пылинок, потом из более крупных обломков, пока гравитация не соберет их в полноценные миры.

Раньше думали, что планеты появляются только после того, как звезда уже сформировалась. Но ALMA показал, что процесс может начинаться раньше.

Мы предполагаем, что компактные системы — это «выжившие» планеты, которые сформировались как раз в последние этапы падения вещества на звезду, — объясняет Руфу.

Расчеты показали: пока материал продолжает падать в диск, растущие планеты притягивают каменистые обломки, но их орбиты постепенно сужаются из-за взаимодействия с газом.

Чем массивнее планета, тем быстрее она движется к звезде — и если переходит критическую массу, то падает в нее и разрушается.

Этот баланс между ростом и гибелью приводит к тому, что выживают планеты примерно одинаковой массы, зависящей от условий в диске.

Планеты, сформировавшиеся во время падения вещества, могут дожить до того момента, когда газ рассеется и их орбиты стабилизируются, — говорит Кануп. — И что важно — в самых разных условиях итоговая масса системы оказывается пропорциональна массе звезды. Это и объясняет, почему у стольких компактных систем одинаковое соотношение масс.

Этот процесс напоминает формирование лун у газовых гигантов. Но есть разница: лунные диски существуют недолго, а протопланетные — миллионы лет. Поэтому у планетных систем соотношение масс чуть ниже, чем у спутниковых.

Это исследование меняет наше понимание того, как рождаются планетные системы.

Если модель верна, то:

• Упростит поиск землеподобных планет — зная, что компактные системы формируются по определенному сценарию, астрономы смогут точнее предсказывать, где искать похожие на Землю миры.
• Поможет разгадать историю Солнечной системы — если большинство систем формируется иначе, значит, у нас был особый сценарий. Это ключ к пониманию, почему здесь нет планет ближе Меркурия.
• Ускорит моделирование экзопланет — если общие закономерности действительно существуют, расчеты станут проще и точнее.

Модель опирается на предположение, что газовый диск ведет себя предсказуемо, но реальные процессы могут быть хаотичнее. Например:

• турбулентность в диске может случайно «выбрасывать» планеты на другие орбиты;
• вспышки молодой звезды могут испарять часть материала, меняя условия роста планет.
  Кроме того, пока неясно, как в эту модель вписываются системы с горячими юпитерами — они тоже компактные, но явно формировались иначе.

Ранее ученые увидели формирование джетов черных дыр.