Интернет-портал интеллектуальной молодёжи

http://ipim.ru/discussion/3730.html (версия для печати)

Дискуссии

Поворот не туда

Фото с сайта www.lenta.ru Астрофизики опубликовали в журнале Astronomy & Astrophysics статью, посвященную механизму ретроградного движения далеких экзопланет. Такие планеты движутся вокруг своих светил в направлении, противоположном собственному вращению звезды. Первым автором статьи значится российский ученый Эдуард Воробьев из Ростова-на-Дону. "Лента.ру" решила узнать у астрофизика подробности его нового исследования.

Чем вызван интерес к ретроградным экзопланетам?

Эдуард Воробьев: На самом деле, к вопросу объяснения феномена ретроградных планет я пришел, как это часто бывает в научных исследованиях, случайно. Я давно изучаю с помощью численного гидродинамического моделирования природу газопылевых дисков вокруг молодых звезд. Согласно традиционным представлениям, звезды, подобные Солнцу, образуются в результате гравитационного сжатия плотных и холодных (минус 260 градусов Цельсия) газопылевых облаков. В процессе сжатия облако ускоряет свое вращение, подобно фигуристу, исполняющему винт, что приводит к образованию газопылевого диска вокруг зарождающейся звезды.

Именно в этих так называемых протопланетных дисках в конечном счете образуются планеты — либо в результате постепенного слипания пылевых частиц в твердые протопланетные ядра с последующим захватом газовой атмосферы (так называемая теория аккреции на ядро), либо в результате гравитационной фрагментации диска, приводящей к образованию газопылевых эмбрионов с последующим сжатием и формированием планет-гигантов (так называемая теория фрагментации диска).

До недавнего времени считалось, что облака эволюционируют в том окружении, где они "появились на свет". При этом влияние внешней среды в основном сводится к нагреву электромагнитным излучением, которое пронизывает практически всю космическую среду. Однако недавнее численное моделирование и наблюдения показали, что облака образуются в турбулентной среде и подобно рою пчел находятся в постоянном хаотическом движении. Перемещаясь с места на место, облака могут оказаться совсем в других условиях, не таких, в каких они образовались. Например, облако, вращающееся в одном направлении, может попасть в среду, вращающуюся в противоположном направлении.

Я задался вопросом, как хаотическое движение облаков сказывается на процессе образования газопылевых дисков и планет. Я "помещал" облака во внешнюю среду, значительно отличающуюся по скорости и направлению вращения от той, в которой облака первоначально образовались, и прослеживал дальнейшую эволюцию системы. Выяснилось, что свойства газопылевых дисков, возникающих в результате таких численных экспериментов, существенно отличаются от свойств дисков, полученных в "стандартной" модели сжатия изолированного облака.

Так, падение вещества из внешней среды со значительно меньшей скоростью вращения, чем у диска, приведет к замедлению вращения диска и его сжатию в результате утраты "сопротивляемости" гравитационному притяжению центральной звезды. Радиус таких дисков (несколько десятков астрономических единиц) в десять раз меньше, а температура в несколько раз выше, чем у типичных дисков в стандартной модели.

И что необычного в поведении этих облаков?

Наиболее интересный эффект обнаружился при размещении облака в среду, вращающуюся в направлении, противоположном его первоначальному вращению. На первых порах эволюция системы не отличается от стандартного случая изолированного облака: сжатие приводит к образованию звезды и газопылевого диска, вращающихся в одном направлении. Однако последующее падение вещества из внешней среды приводит к образованию внешнего диска, вращающегося в направлении, противоположном вращению звезды и внутреннего диска.

Возникают два противоположно вращающихся диска, разделенные областью пониженной плотности, так называемой щелью. Интересно заметить, что подобные щели наблюдаются у протопланетных дисков, но их объяснение до сих пор сводилось к другим физическим явлениям (например, присутствию планеты, как бы расчищающей пространство вокруг себя). Как показано на рисунке, именно во внешнем диске могут зарождаться планеты, которые в конечном счете будут вращаться в направлении, противоположном собственному вращению звезды.

Какие есть теории ретроградного движения и все ли они объясняют?

Еще десять лет назад мало кто мог предположить существование ретроградных планет — их образование в результате коллапса изолированных облаков выглядело слишком уж экзотичным. Все изменилось в 2009 году, когда группа ученых из Великобритании обнаружила планету-гигант WASP-17b в созвездии Скорпиона на расстоянии тысячи световых лет от Земли, движущуюся по орбите в направлении, противоположном вращению родительской звезды.

WASP-17b относится к классу так называемых горячих гигантов с массой, равной половине массы Юпитера, находящихся на очень близком расстоянии от звезды и совершающих оборот вокруг светила всего за несколько земных суток. Угол наклона между орбитальной осью WASP-17b и осью вращения родительской звезды — 150 градусов. Это не точное противонаправленное движение, для которого угол наклона составлял бы 180 градусов, но тем не менее результирующее движение планеты происходит в направлении, противоположном вращению звезды.

В принципе, наличие небольшого наклона между осью вращения звезды и орбитальной осью планеты не противоречит общепринятым теориям. Такой наклон может образовываться в результате гравитационного рассеивания планет при их близких сближениях — при этом угол наклона орбиты увеличивается у планеты, находящейся ближе к звезде.

Однако объяснение ретроградных орбит в рамках данной теории весьма сложное и требует тонкой комбинации таких параметров, как масса внешнего, возмущающего объекта, начальные взаимный наклон (не менее 40 градусов) и существенная эллиптичность (или эксцентриситет) орбит планет. Кроме того, данный механизм может объяснить ретроградные орбиты только у планет на очень малых расстояниях от звезды, таких как WASP-17b, и не работает для более удаленных планет.

Другой механизм образования орбит с большим углом наклона связан с гравитационным влиянием звезды-компаньона в двойных системах с межзвездным расстоянием порядка нескольких тысяч астрономических единиц или близким пролетом другого газопылевого диска. В первом случае гравитационное возмущение от соседней звезды может вызвать прецессию плоскости газопылевого диска, что в свою очередь способно привести к образованию планет с большим углом наклона к плоскости экватора родительской звезды.

Однако этот механизм требует заметного угла между плоскостью движения звезд в двойной системе и экваториальной плоскостью звезды, а также очевидно не работает для одиночных звезд. Во втором случае захват вещества пролетающего объекта может сильно менять плоскость вращения диска по сравнению с первоначальной, что также способствует формированию планет с большим углом наклона к плоскости экватора звезды.

Следует заметить, что данный механизм родственен предложенному мною механизму образования ретроградных планет, но опирается скорее на эпизодический захват вещества в результате близких сближений двух дисков, чем на постепенную аккрецию вещества из внешней среды.

В каких планетных системах наблюдается ретроградное движение?

Из известных на данный момент более тысячи экзопланет угол между осью вращения звезды и осью орбитального движения планеты измерен для немногим более 60 объектов, десять из которых совершают ретроградное вращение. Среди этих планет можно выделить уже упомянутый WASP-17b, а также HAT-P-7b, ретроградную планету в созвездии Лебедя из того же класса горячих юпитеров с углом наклона в 189 градусов (практически идеальное ретроградное движение) и массой около двух масс Юпитера.

Не сводится ли образование ретроградных планет к вопросу начальных условий?

Нет, не совсем. Начальные условия скорее определяют генетический код формирующихся облаков, то есть их массу и момент вращения, а образование ретроградных планет становится возможным благодаря хаотичному движению облаков с последующим взаимодействием с окружающей средой. Таким образом, это скорее вопрос граничных условий, где в качестве таковых выступает направление вращения окружающей среды по отношению к вращению облака и газопылевого диска.

Есть ли в Солнечной системе примеры тел с ретроградным движением?

Да, есть. Наиболее известный пример — это Тритон, спутник Нептуна, вращающийся в противоположном направлении по отношению к собственному вращению Нептуна. Ретроградные орбиты у многих астероидов и комет, из них наиболее известна комета Галлея. Эти объекты, скорее всего, изначально вращались в том же направлении, что и Солнце, но приобрели ретроградное движение позже в результате близких сближений или столкновений друг с другом. В то же время все планеты Солнечной системы вращаются в том же направлении, что и Солнце, и обладают весьма малым углом наклона орбит к экваториальной плоскости Солнца.

Вы говорили о свойствах облаков, из которых формируются звезды и планеты, а также воздействии на эту систему внешней среды. Насколько такое взаимодействие может изменить первоначальную систему?

Процесс образования планет зависит от размера и массы газопылевого диска, которые в свою очередь определяются параметрами родительского облака, такими как их масса и скорость вращения. Эти параметры облака представляют собой в некотором смысле "генетический код", заложенный в момент образования облаков из более глобальных космических структур. Данный генетический код опосредованно накладывает ограничения и на характеристики планет, образующихся в газопылевом диске, вплоть до возможности их существования в принципе!

Например, облака с малой скоростью вращения не могут образовать диски достаточно массивные и протяженные, чтобы в них заработали процессы образования планет. Другими словами, образование планет в результате сжатия облаков с "плохим" генетическим кодом маловероятно. Но можно ли перебороть плохую наследственность?

Мое численное моделирование показывает, что внешняя среда, выступающая в некотором роде "приемным родителем" облака, может перебороть его генетический код и существенно повлиять на свойства газопылевых дисков и планет, образующихся в результате сжатия облаков с последующей аккрецией вещества из внешней среды. Из-за хаотического движения облаков мы заранее не знаем в чьи "руки" они попадут, и поэтому не можем предсказать конечный результат "воспитания". Но тем более интригующим становится сам процесс!

Сейчас вы работаете в Австрии. Насколько интенсивны ваши контакты с российскими учеными?

Я нахожусь в научной командировке в Австрии и мое постоянное место работы — НИИ физики при Южном федеральном университете. Данная работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки России "Процессы звездообразования в галактике "Млечный путь" и ближайшем межгалактическом пространстве". У меня тесные контакты с Новосибирским научным центром РАН и Институтом астрономии РАН (ИНАСАН), в частности с Дмитрием Вибе и Ярославом Павлюченковым, с которыми у меня есть несколько проектов по улучшению моей численной гидродинамической модели. Надеюсь, мое сотрудничество с ИНАСАНом принесет в скором времени много новых интересных результатов.

После событий на Украине Вы не заметили изменение отношения к себе со стороны зарубежных коллег?

Нет, не заметил, хотя разговоры между коллегами на эту тему и были в начале конфликта.

Беседовал Андрей Борисов

источник: Lenta.ru