Относительно недавно было высказано предположение о существовании еще одного механизма, обеспечивающего ускоренный набор массы газовыми гигантами. Согласно теории аккреции обломков, поглощение каменистых объектов меньшего размера позволяет планете расти быстрее, чем при слипании с крупными планетезималями.
Рост зародыша планеты замедляется, как только скорость приближающихся к нему планетезималей достигает значений, достаточных для преодоления его гравитации. Сложности начинаются еще на стадии олигархического роста; но труднее всего зародышу планеты улавливать более крупные планетезимали, которые разбросаны вокруг него на поздних этапах.
Однако даже после формирования в протопланетном диске более массивных планетезималей в нем по-прежнему остается большое количество каменистых тел меньшего размера. Не превышающие 10 см в диаметре обломки представляют собой прекрасную «закуску», так как при таком размере они пока еще не способны преодолевать сопротивление газа. Когда они оказываются рядом с зародышем планеты, сопротивление заставляет их замедляться, из-за чего они намного чаще сходят со своих орбит и сталкиваются с зародышем. Поэтому зародыши планет могут чрезвычайно легко слипаться с каменистыми телами такого размера, набирая массу в сто раз быстрее там, где сейчас находится Юпитер.
Скорее всего, при возникновении планет были задействованы все эти три механизма, сокращающие время, необходимое для аккумулирования огромной атмосферы. Таким образом, аккреция на ядро кажется наиболее правдоподобной моделью формирования большинства газовых гигантов. Впрочем, есть миры, существование которых ставит ее под сомнение.
Формирование дальних планет
Модель аккреции на ядро стала серьезной заявкой на объяснение механизмов образования планет-гигантов, но продержалась она недолго. Чем дальше от центра протопланетного диска, тем труднее сформировать планету. Что касается небольших каменистых миров на окраинах Солнечной системы, таких, например, как Плутон, главным виновником их удаленного положения можно считать взаимодействие с массивными планетами. Когда газовые гиганты раздуваются в размерах, в сферу их гравитационного притяжения попадают сначала крупные планетезимали, а затем — менее крупные каменистые зародыши планет. В силу большого размера они легко преодолевают сопротивление газа, и поэтому к тому моменту, когда они достигают газового гиганта, большинство этих объектов движутся слишком быстро, чтобы газовая планета могла их поглотить. Вместо этого они проносятся мимо нее, набирая скорость, и разлетаются по всей Солнечной системе.
Так, Плутон был вытолкнут на окраину в составе большого скопления планет-карликов и планетезималей, оказавшись позади Нептуна. Другие планетезимали были раскиданы внутри Солнечной системы или вовсе покинули ее пределы. Гравитационное притяжение гиганта Юпитера было настолько мощным, что под его воздействием зародыши планет в пределах Солнечной системы начали рыскать и сталкиваться друг с другом, образуя планеты земной группы.
Этого достаточно для объяснения процесса формирования нашей Солнечной системы: в результате столкновений частиц пыли образуются планетезимали, которые вырастают в зародыши планет. Газовые гиганты аккумулируют огромные атмосферы в процессе безудержного расширения путем аккреции на ядро, а под влиянием их громадной массы начинается игра в гравитационный пинг-понг, во время которой завершается рост планет внутри системы и происходит выталкивание кольца планет-карликов и каменистых глыб. А потом мы открыли экзопланеты.
Предполагается, что Фомальгаут b — это планета-гигант, движущаяся по орбите вокруг своей звезды на немыслимом расстоянии 119 а.е. Для сравнения: Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, находится всего лишь в каких-то 30 а.е. от Солнца. На расстоянии в сотни а.е. формирование ядра такого размера, который позволил бы образоваться массивной атмосфере, просто невозможно. И вот тут-то в спор вступает планета Фомальгаут b, верхняя оценка массы которой втрое больше массы Юпитера. Ее открытие нанесло серьезный удар по модели аккреции на ядро, которой противоречило как расположение этой планеты в разреженном внешнем диске, так и увеличение в три раза массы, которую должна набрать планета.
Ни метод лучевых скоростей, ни транзитный метод не использовались при обнаружении Фомальгаут b. Она стала первой экзопланетой, доступной для непосредственного наблюдения. Получить изображение экзопланеты чрезвычайно трудно, так как ее слабое излучение (отраженный свет и собственное тепловое излучение) обычно подавляется звездой. Поэтому чем дальше орбита планеты от звезды, тем выше вероятность обнаружить ее тусклое изображение.
Учитывая, что Фомальгаут b окружена обширным облаком космической пыли, возможность ее отнесения к планетам часто ставится под сомнение. Погружена ли планета в туман или это осколки от столкновений, происходивших в процессе ее формирования? Как бы там ни было, Фомальгаут b — далеко не последний объект, обнаруженный на большом расстоянии в диске.
В 2009 г. японский телескоп «Субару» с зеркалом диаметром 8,2 м начал прочесывать небо в поисках удаленных планет. Исследование, в рамках которого проводилась эта работа, получило название «Стратегическое изучение экзопланет и дисков с помощью “Субару”» (Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru, сокращенно — SEEDS). Планировалось, что телескоп будет делать снимки дисков вокруг звезд и всех газовых гигантов, которые попадут в его поле зрения. К 2016 г. SEEDS обнаружил четыре планеты, которые были значительно больше Юпитера и обращались по орбитам на расстоянии 29–55 а.е. от своей звезды. Пусть этих планет было немного, но игнорировать их существование было невозможно.
Столкнувшись с объектами, не укладывающимися в существующую модель аккреции на ядро, ученые начали поиски альтернативной теории, которая могла бы объяснить работу фабрики по производству газовых гигантов. Было предложено взять за основу модель образования звезд и экстраполировать ее на газовые гиганты.
На изображениях дисковых галактик, похожих на наш Млечный Путь, видны ослепительные множества спиральных рукавов. Обычно спирали — это волны плотности, которые относятся к тому же типу, что и звуковые волны. Спиральные рукава могут появляться, когда собственная гравитация газа достаточно сильна, чтобы разорвать однородную структуру газового диска.
Этот эффект называют неустойчивостью диска — немного пафосно, учитывая, что термин означает процесс разрушения диска гравитацией. В создаваемом им спиральном рукаве собираются облака молекулярного газа, образуя плотные участки, в которых рождаются звезды.
Альтернативный вариант объяснения процесса формирования газовых гигантов исходит из того, что нечто похожее может происходить и в протопланетном диске. В окружающем звезду газовом диске образуются спиральные рукава, газ сжимается и падает непосредственно в центр планеты-гиганта. В отличие от куда меньших плотностей, которыми обычно характеризуется звездообразующее молекулярное облако, плотности в протопланетном диске потенциально могут подниматься до уровня, достаточного для формирования небольшого объекта размером с планету.
Этой идеей трудно не соблазниться, ведь она позволяет аккуратно обойти все другие проблемы, с которыми мы пытались разобраться до сих пор. Раз не нужно начинать со строительства твердого ядра, мы можем пренебречь механизмами слипания планетезималей и сопротивлением газа. Тогда для образования газового гиганта достаточно всего лишь тысячи лет,
