Кеплер-11 стала своего рода эталоном звезды с компактной группой планет на близких орбитах. Но оказалась, что она такая далеко не одна. Спустя год была найдена звезда Кеплер-32 с пятью планетами размером менее 3 земных радиусов и периодами обращения 0,7–23 суток. Затем рядом со звездой HD 40307 были обнаружены три новые планеты. Таким образом, общее количество известных нам планет в этой системе достигло шести. Масса каждой из них не превышает 7 масс Земли. У пяти период обращения составляет 4–52 суток. Последовавшая за этим череда открытий в других системах показала, что похожие конфигурации миров могут быть более чем у 10% звезд.
Возникает закономерный вопрос: если такое устройство планетных систем является обычным, почему в нашей Солнечной системе все иначе? Допустим, нашим газовым гигантам удалось избежать превращения в горячие юпитеры. Но как быть с потоком планетезималей в направлении звезды в начальный период существования системы? Должна же была из него сформироваться хотя бы одна суперземля?
Также развернулась дискуссия о том, могла ли планета, сформировавшаяся in situ, удержать обширную атмосферу мини-нептуна. Несмотря на изобилие материала в месте формирования, радиус сферы Хилла планеты остается маленьким, а значит, на первом этапе все может ограничиться появлением группы зародышей планет размером с Землю (поскольку при достижении размера Земли их масса достигает значения изоляции, о котором шла речь в главе 2). В течение последующего продолжительного периода в результате столкновений зародышей планет формируется суперземля. Поскольку в процессе столкновений столь массивных тел газы могут улетучиваться, новый мир рискует превратиться в каменистую планету с тонкой газовой оболочкой.
В ответ на критику был высказан ряд предположений, позволявших обойти обозначенные проблемы: мертвые зоны в разных протопланетных дисках могут иметь свои особенности; поток планетезималей мог быть остановлен каким-то другим процессом; столкновения не обязательно должны сопровождаться мощными ударами. Но все-таки доводы противников гипотезы о ловушке мертвой зоны оказались достаточно вескими, чтобы начался поиск альтернативных вариантов объяснения.
Мигрирующая популяция
При отсутствии планетных ловушек суперземли, учитывая их относительную массивность, должны мигрировать на большой скорости. Возможно, они мигрировали к звезде откуда-то очень издалека?
У идеи о рождении суперземель на большом расстоянии от звезды есть свои плюсы и минусы. Отсутствие четкой границы между размерами каменистых суперземель и мини-нептунов может рассматриваться как свидетельство их принадлежности к одному классу с общим механизмом формирования. Поскольку процесс образования нашего Нептуна проходил за снеговой линией во внешней области Солнечной системы, кажется разумным предположить, что горячие мини-нептуны — а вместе с ними и каменистые суперземли — появились на свет в похожем месте. В этом случае каменистые планеты — это те, которые не смогли захватить гигантские атмосферы либо из-за недостаточно большой массы, либо из-за того, что их формирование проходило незадолго до рассеивания газового диска.
Таким образом, в своей эволюции они похожи на горячие юпитеры. В любом случае, формирование больших планет могло начаться за снеговой линией, где предостаточно строительного материала. Вдали от звезды сфера Хилла планеты достаточно обширна. Поэтому она может быстро наращивать массу и захватывать газы, не рискуя потерять атмосферу в результате столкновений.
Также мы получаем объяснение того, почему в Солнечной системе нет суперземель. Согласно модели смены галса, разворот Юпитера и Сатурна остановил миграцию Урана и Нептуна. Если бы громадные газовые гиганты не преградили им путь, зародыши этих менее массивных миров вполне могли бы переместиться во внутреннюю область Солнечной системы, ближе к нашему светилу. То есть, сделав всего одно допущение, мы избавляем себя от необходимости апеллировать к множеству различных механизмов образования планет, чтобы объяснить происхождение этих разнородных миров.
Однако, воспринимая миграцию как универсальную силу, мы ступаем на зыбкую почву, так как тем самым мы утверждаем, что коренная перестройка планетной системы является обычным явлением. Хотя горячие юпитеры, вероятнее всего, оказываются во внутренней области планетных систем именно в результате миграции, они соседствуют всего лишь с 1% звезд. Напротив, горячие суперземли, как считается, встречаются на орбитах вокруг 50% звезд. Чтобы объяснить, как всем этим планетам удалось поменять свои орбиты, простой констатации возможности миграции уже недостаточно — она должна стать важным элементом архитектуры планетной системы.
К тому же есть ряд наблюдений, которые не укладываются в описанную модель. Исходя из того, как протекала стремительная миграция Юпитера и Сатурна, можно предположить, что вследствие взаимных притяжений при перемещении по газовому диску соседние планеты должны входить в орбитальный резонанс. Сближение внешней планеты с соседом на внутренней орбите может происходить либо в процессе миграции, либо в момент остановки второго мира на внутренней границе протопланетного диска. В результате их орбиты входят в резонанс, при котором соотношение между периодами обращения планет равняется точному целому числу. Хотя такая картина наблюдается в ряде систем, таких как Глизе 876, во многих других, например в Кеплер-11 и HD 40307, эта модель не работает. Означает ли это, что миграции действительно не было?
Наличие орбитального резонанса, безусловно, свидетельствует в пользу того, что миграция имела место, но его отсутствие не означает обратного. Это объясняется, в частности, тем, что миграция первого рода может состояться только при выполнении ряда весьма специфических условий. При обсуждении планетных ловушек мы упоминали о зависимости первого этапа миграции от параметров окружающего газа. Масса планеты также является важным фактором: чем массивнее планета, тем интенсивнее ее гравитационное взаимодействие с газовым диском. Миграция более тяжелых планет, как правило, происходит на более высокой скорости и продолжается до момента образования разрыва в газе, после чего она замедляется и переходит в миграцию второго рода. Однако в диске могут быть участки, где при определенном сочетании силы притяжения планеты и параметров окружающего ее газа направление миграции на короткое время может меняться на противоположное. Таким образом, пути миграции в значительной степени определяются сложившимся в некоторый момент времени уникальным сочетанием таких факторов, как масса планеты, параметры газа в пространстве вокруг планеты и притяжение соседних планет[10].
Разнообразие возможных траекторий миграции означает, что к моменту полного улетучивания газа из диска возможны разные варианты расположения планет. В одном наборе компьютерных моделей для противоположного процесса при обратной миграции была получена область, допускавшая формирование планет массой, более чем в 5 раз превышающей массу Земли. Планетами, зародыши которых могли наращивать массу настолько быстро, чтобы воспользоваться этими благоприятными условиями, стали потенциальные горячие юпитеры. В определенный момент движение
