Ми добре знайомі з Сонячною системою - адже, по суті, це наш рідний дім. Назви входять до її складу планет, порядок їх розташування (а може бути, навіть відстань від Сонця) відомі багатьом з нас ще зі школи. Однак, як з'ясував кореспондент BBC Earth. наш будинок не дуже схожий на інші.
Є чотири внутрішні планети, розташовані найближче до Сонця, вони називаються планетами земної групи (або твердотільними планетами). Тверда поверхня дозволяє ходити по ним або здійснювати посадки космічних апаратів. Є чотири зовнішні планети (за винятком відносно невеликого, що складається з скельних порід і льоду Плутона, планетний статус якого відносно недавно був переглянутий - тепер він вважається карликовою планетою), вони представляють собою гігантські газові кулі, оточені кільцями. А між внутрішніми і зовнішніми планетами розташований пояс астероїдів.
У наступні два десятиліття вдалося відкрити тисячі інших планет. За деякими оцінками, в нашій Галактиці їх сотні мільярдів. Таким чином, Сонячна система не унікальна.
І все-таки, незважаючи на таку велику кількість планетних систем, астрономи вважають, що в певному сенсі Сонячна система стоїть осібно. Як так?
"Стає все більш очевидно, що Сонячна система нетипова", - говорить Грегорі Лафлін, планетолог з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі.
Поки що не зовсім зрозуміло, наскільки велика ця нетиповість (адже одна справа - панк, забрів на вечір зустрічі ветеранів колгоспного руху, зовсім інше - лепрекон, що скаче по вулиці на єдинорога), але вчені вже намагаються пояснити причини особливостей Сонячної системи.
Якщо вона виявиться космологічної аномалією, то, можливо, такою є і Земля - а з нею і життя на нашій планеті.
Іншими словами, не можна виключати нашу унікальність у Всесвіті.
Унікальна система?
Варто тільки змиритися з думкою про те, що планети в космосі зустрічаються не рідше зірок, як перед нами виникає нове відкриття - вражаюче розмаїття їх параметрів. "Ми завжди плекали надію на те, що планет в космосі багато, - каже Лафлін. - І виявилося, що це дійсно так. Але знайдені нами екзопланети разюче відрізняються від планет Сонячної системи".
Правовласник ілюстрації Johan Swanepoel Alamy Image caption Астероїди зникли з внутрішніх районів Сонячної системи
За допомогою орбітальної обсерваторії "Кеплер" астрономам вдалося виявити тисячі екзопланет найрізноманітніших складів і розмірів. Виявляється, існують зовсім мініатюрні планетні системи, які можна порівняти за розмірами з Юпітером і чотирма з найбільших його супутників. В інших системах площину обертання планет знаходиться під великим кутом до площини обертання зірок. Деякі планети обертаються навколо двох зірок відразу - на зразок планети Татуїн з двома сонцями з фільму "Зоряні війни".
Найменші з виявлених екзопланет можуть бути кам'янистими - їх іноді називають Надземлі (не зовсім коректний термін, оскільки Надземлі зовсім необов'язково схожа із Землею - це всього лише планета трохи більшого розміру). Більші екзопланети, відомі як гарячі Нептуна, в основному складаються з газів.
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Юпітер і одна з його лун
У цьому, каже Лафлін, полягає одна з найважливіших відмінностей Сонячної системи: "Всередині орбіти Меркурія (між Меркурієм і Сонцем - Ред.) Немає взагалі нічого. Навіть астероїдів".
Ще одна дивина Сонячної системи - це Юпітер. Великі екзопланети зустрічаються не так часто, і здебільшого вони звертаються по орбітах, яке можна порівняти із земною або венеріанській. Тільки приблизно у двох відсотків вивчених зірок є планети розміром з Юпітер на орбітах, порівнянних з юпитерианской.
"Повна відсутність будь-яких небесних тіл всередині орбіти Меркурія і масивний Юпітер на значній відстані від Сонця - ось ті два чинники, які відрізняють Сонячну систему", - зазначає Лафлін.
Ніхто точно не знає чому це так, але у Лафлін є одна складна теорія - він вважає, що Юпітер в свій час "блукав" по Сонячній системі, знищуючи народжуються планети і, в кінцевому підсумку, створивши умови для формування Землі.
блукаючий Юпітер
Планети народжуються слідом за своїми зірками. Зірка виникає при схлопуванні газової хмари в щільну кулю. Із залишків газу і пилу навколо неї формується диск, який потім і перетворюється в окремі планети.
Раніше астрономи вважали, що планети Сонячної системи сформувалися на своїх нинішніх орбітах. У безпосередній близькості від гарячої молодої зірки газ і лід перебувати не могли - єдиними можливими "будівельними матеріалами" в цьому регіоні повинні були бути силікати і метали, тому там і сформувалися відносно невеликі тверді планети. Вдалині ж від Сонця з газів і льодів виникли газові гіганти, відомі нам сьогодні.
Правовласник ілюстрації SPL Image caption Гарячі юпітери могли мігрувати ближче до своїх зірок, а потім знову віддалятися від них
Однак в процесі пошуку екзопланет астрономи виявили газові гіганти, що обертаються надзвичайно близько до своїх зірок - і це при тому, що температури на таких орбітах були б занадто високими для виникнення цих планет. Вчені прийшли до висновку, що такі гарячі юпітери, ймовірно, поступово мігрували ближче до своїх зірок. Більш того, планетарна міграція може бути дуже поширеним явищем - не виключено, що газові гіганти Сонячної системи теж в минулому змінювали свої орбіти.
"Раніше ми вважали, що гігантські планети знаходяться на своїх нинішніх орбітах з моменту виникнення. Це був наш основний постулат", - говорить Кевін Уолш, планетолог з Південно-західного науково-дослідного інституту в Боулдері, штат Колорадо. Тепер же, за його словами, цього постулату більше не існує.
Уолш - прихильник гіпотези великого відхилення (Grand Tack hypothesis), названої так на честь зиґзаґоподібного маневру у вітрильному спорті. Відповідно до неї, Юпітер почав міняти орбіту в ранній період історії Сонячної системи, причому спочатку планета наближалася до Сонця, а потім почала віддалятися від світила - подібно лавірує яхті.
Відповідно до цієї гіпотези, первісна орбіта Юпітера була кілька вже нинішньої - планета сформувалася на відстані приблизно в три астрономічні одиниці від Сонця (одна астрономічна одиниця відповідає середній відстані між Сонцем і Землею). У той час Сонячній системі було всього кілька мільйонів років - дитячий вік в масштабах Всесвіту, - і вона все ще була наповнена газом.
У міру обертання Юпітера навколо Сонця газ із зовнішнього боку орбіти поддталківал планету ближче до світила. Коли ж за межами юпитерианской орбіти сформувався Сатурн, це призвело до обурення газового поля, і доцентровий рух Юпітера припинилося на відстані приблизно в півтори астрономічні одиниці від Сонця.
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Можливо, формування Сатурна зупинило процес міграції Юпітера
Після цього на Юпітер почали чинити тиск гази з внутрішньої сторони його орбіти, відштовхуючи планету в зовнішні регіони Сонячної системи. Оскільки з зовнішньої сторони орбіти тиснути на Юпітер було вже нічому, він віддрейфував на свою нинішню орбіту на відстані в 5,2 астрономічної одиниці від Сонця.
Запропонована гіпотеза припала до душі планетологам, оскільки пояснювала багато раніше незрозумілі феномени Сонячної системи. Завдяки "зигзагам" Юпітера регіони Сонячної системи, що лежать далі 1 астрономічної одиниці від Сонця, очистилися від газу - на думку астрономів, це було необхідною умовою для формування Марса. В рамках попередніх моделей виникнення Сонячної системи виходило, що Марс повинен бути більшим, ніж він є насправді. але в гіпотезу великого відхилення реальний діаметр планети якраз вписується.
Гіпотеза також передбачає виникнення пояса астероїдів, дуже схожого з тим, що ми спостерігаємо в Сонячній системі, - з подібними масами, орбітами і складом небесних тіл. Хоча нова модель не розкриває причини виникнення Юпітера (відповіді на це питання поки ні у кого немає), вона пояснює, яким чином планета виявилася на своїй нинішній щодо далекої від світила орбіті.
Лафлін визнає, що гіпотеза великого відхилення видається надто незрозумілою і навіть кілька малоймовірною. "Вона викликає певний скептицизм; я сам спочатку ставився до неї скептично, і в якійсь мірі до сих пір в ній сумніваюся", - говорить учений. Але, з огляду на успіх, яким користується ця модель, Лафлін і його колега-планетолог Костянтин Батигін з Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені вирішили її розвинути. "Давайте на час залишимо наше недовіру, - каже Лафлін. - Поставимося до гіпотези серйозно і запитаємо себе, до яких наслідків могла призвести міграція Юпітера".
Знищені в зародку
Виявляється, що наслідки могли бути найсерйознішими. Згідно з результатами комп'ютерних симуляцій, Юпітер, діставшись до внутрішніх регіонів Сонячної системи, почав трощити все на своєму шляху. Ці регіони були заповнені газом, пилом і наполовину сформованими планетами - так званими планетезималями діаметром до 1000 км. У міру просування до Сонця Юпітер прокладав дорогу крізь весь цей матеріал, запускаючи ланцюжок зіткнень між планетезималями, які розбивалися один об одного вщент. Уламки ненароджених планет, кожен розміром приблизно з кілометр, були настільки легкими, що навколишній газ відштовхував їх прямо в горнило Сонця.
Правовласник ілюстрації Lynette Cook SPL Image caption Деякі суперземлі можуть бути схожі на планети Сонячної системи
З огляду на переважання суперземель серед виявлених екзопланет, велика ймовірність, що і в Сонячній системі одночасно з планетезималями могло формуватися кілька таких тіл. Однак внаслідок блукань Юпітера між цими Суперземлями і нарождающимися планетами відбувався гравітаційний взаімозахват. Коли осколки планетезималей попрямували до Сонця, за ними пішли й суперземлі.
Після того як Юпітер повернувся в зовнішні регіони Сонячної системи, з залишився після нього космічного сміття сформувалися Земля і інші невеликі кам'янисті планети. Через хаос, посіяного Юпітером, у формувалися планет поблизу Сонця не було шансу на порятунок - саме тому всередині орбіти Меркурія зараз немає ніяких небесних тіл. Якби не Юпітер, замість Землі і інших кам'янистих планет внутрішні регіони Сонячної системи були б зараз заповнені Суперземлями.
Принаймні - в теорії. Ми маємо справу з дуже стрункою теорією, що пояснює незвичайність Сонячної системи захоплюючої ланцюгом подій. Якщо так все і сталося насправді, щось подібне, ймовірно, могло трапитися і з іншими планетними системами. Таким чином, відповідно до цієї гіпотези, або в зоряній системі повинні бути присутніми суперземлі, або ж планети, подібні до Юпітера.
Поки дані космічних досліджень підтверджують вірність гіпотези великого відхилення. "Попередні результати виглядають дуже добре, - каже Лафлін. - У зоряних системах, в яких є суперземлі, гігантські планети на далеких від зірки орбітах не виявлені".
Правовласник ілюстрації NASA SPL Image caption Мозаїчне зображення Меркурія, складене з окремих знімків його поверхні
І все ж Лафлін не поспішає пояснювати будову Сонячної системи однієї лише гіпотезою великого відхилення: "Поки що ми просто дізналися, що Сонячна система незвичайна. І гіпотеза - просто одна зі спроб знайти цієї незвичайності раціональне пояснення. Я впевнений, що в майбутньому з'являться інші теорії , звучать не менше переконливо ".
Чи не така вже й рідкість?
Наскільки ж незвичайна Сонячна система? "Судячи з тих даних, які ми маємо, системи, подібні Сонячній, зустрічаються нечасто", - говорить Уолш. З іншого боку, за його словами, ще рано робити остаточні висновки, оскільки пошук екзопланет тільки починається.
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Виявлення великих екзопланет на далеких від їх зірки орбітах вимагає тривалих спостережень
Тому, що до сих пір астрономам вдалося виявити лише кілька екзопланет, схожих на планети Сонячної системи, є своє пояснення. "Системи, подібні до нашої, важче знайти за допомогою існуючих методів виявлення екзопланет, - говорить Джим Кастинг, планетолог з Університету штату Пенсільванія. - З того, що ми поки не знайшли багато систем, схожих на Сонячну, не випливає, що вони не поширені ".
Зокрема, екзопланети діаметром менше земного поки ще знаходяться поза межами чутливості телескопів. Навіть TESS НЕ буде здатний виявити планети розміром із Землю на подібних із земною орбітах навколо зірок сонячного типу.
Та й завдання виявлення більших планет, схожих з газовими гігантами Сонячної системи, потребують тривалих спостережень. Один з найбільш широко застосовуваних методів виявлення екзопланет (він використовується в роботі "Кеплер" і буде застосовуватися в роботі TESS) - метод транзитної фотометрії, при якому по ослабленню блиску зірки під час проходження планети на тлі її диска можна визначити параметри планети. Періоди обертання планет з віддаленими від світила орбітами дуже великі (період обертання Сатурна, наприклад, становить 29 років), так що астрономам доведеться чекати кілька десятиліть, перш ніж вони зможуть виявити такий транзит.
Однак у випадку з Суперземлями на орбітах вужче меркуріанской, та й з Суперземлями взагалі, зібраних даних вже досить для того, щоб зробити певні висновки. "Нам відомо, що такі планети вельми поширені", - говорить Лафлін. Астрономи також знають, що газові гіганти на орбітах, подібних юпитерианской, зустрічаються не так часто. А зірки сонячного типу складають лише 10% від усіх зірок Галактики. Так що принаймні в цьому сенсі Сонячна система досить рідкісна.
Правовласник ілюстрації B.A.E. Inc. Alamy Image caption Ймовірно, Чумацький Шлях налічує сотні мільярдів планет
Зрозуміло, "рідкість" в даному випадку - суб'єктивний термін. За деякими оцінками, в однієї п'ятої всіх зірок сонячного типу в Галактиці є планетні системи, схожі з нашою. Це всього пара відсотків від усіх зірок Чумацького Шляху - здавалося б, мізерно мала величина, але слід пам'ятати, що в Галактиці нараховуються сотні мільярдів планетних систем. Один відсоток від цього числа все одно дорівнює десяткам мільярдів систем, схожих на Сонячну.
"Я б дуже здивувався, якби Сонячна система дійсно виявилася унікальною, - говорить Джек Ліссауер, планетолог з Дослідницького центру Еймса в Каліфорнії. - При такій кількості зірок навіть один їх відсоток не дає приводу назвати це рідкістю".
Закон великих чисел
Чи можливо в інших зоряних системах існування схожих на Землю планет, на яких могла б зародитися життя? Це ще більш складне питання. "У нас немає доказів поширеності планет з умовами, схожими на земні, - каже Лафлін. - Доказів того, що життя у Всесвіті поширена, немає".
Але Ліссауер вірить в закон великих чисел: "Я думаю, що схожі на Землю планети, на яких могла б зародитися і розвиватися життя, існують".
Правовласник ілюстрації NASA Image caption Більш звичний нам світ на знайомій з дитинства планеті.
Кастинг розділяє його оптимізм: "Я не думаю, що Сонячна система унікальна. Швидше за все, існують інші планетні системи, не особливо відрізняються від нашої. Зрозуміло, достовірно ми цього не знаємо, ось чому нам потрібно будувати телескопи і проводити спостереження".
І тоді замість незвичайності ми, можливо, знайдемо щось дуже знайоме.