Проблемы с планетами

Мы живем в смутное время. Общественность в растерянности. Среди астрономов-любителей слышатся голоса протеста. Профессионалы, и те перестали отмалчиваться.

Теперь никто не знает, что такое планета. Термин утратил универсальность и разбился на официальные и неофициальные определения, трактовки и так далее. Всякий исследователь теперь под планетами подразумевает свое. Правда, в отношении классических планет Солнечной Системы наступила определенность, после резолюции Международного астрономического союза 2006 года. Тогда в жертву четкому определению был принесен Плутон. В результате дети негодуют, астрономы угрюмо пожимают плечами, а человек, который «убил Плутон» пишет мемуары, но кое-какой порядок все же восстановлен.

А вот среди экзопланетчиков по-прежнему царит анархия. Они все еще ждут своего «съезда МАС», ведь термину «экзопланета» тоже нужно четкое определение. И вот почему.

Корень сегодняшних проблем

Термин «планета», который выработал МАС применительно к Солнечной Системе, не может вместить в себя все многообразие открытых на сегодняшний день планет — будь то у других звезд, или планет-бродяг. Резолюция МАС 2006 года звучит следующим образом.

Планета — это небесное тело, которое:

обращается по орбите вокруг Солнца (т.е. не являющееся спутником другого тела);
обладает достаточной гравитацией, чтобы иметь форму, близкую к шару;
вблизи орбиты которого имеется «пространство, свободное от других тел» (за исключением спутников)

Проблема в данном определении не в том, что в нем присутствует Солнце. Простая замена слова «Солнце» на «звезду» ничего не даст, так как не решает две важные проблемы:

1. Где находится верхний предел массы планеты? Другими словами, когда тело мы должны рассматривать уже не как планету, а как коричневый карлик или даже звезду? Дело в том, что старое определение планеты как несамосветящихся (читай, темных) тел, строго говоря, неверно, ибо молодые планеты-гиганты, а также горячие юпитеры и нептуны пусть и слабо, но светятся. Так что автоматически зачислять в звезды все, что видится в телескоп как звезды, нельзя.

2. Если планетой является только тело, обращающееся вокруг какой-либо звезды, то как в таком случае быть с планетами-бродягами, телами планетной массы, которые свободно плавают в межзвездном пространстве? А такие объекты обнаружены в последнее время в достаточном количестве.

График зависимости светимости различных объектов от их возраста. По оси x отложен возраст тел, по оси y — их светимость в единицах светимости Солнца. Шкала логарифмическая. Синим цветом показана эволюция светимости маломассивных звезд, зеленым — коричневых карликов, красным — планет. Источник: Adam Burrows, 2001

Ответ на первый вопрос призван физически отделить планеты от звезд и коричневых карликов, которые вместе образуют непрерывный спектр масс от легких объектов к тяжелым. Здесь вроде бы уже давно присутствует определенность. Звездой считается тело массой свыше 75-80 масс Юпитера. При такой массе внутри тела создаются условия для протекания стабильных ядерных реакций, например, превращения водорода в гелий. Поэтому в атмосферах «взрослых» звезд не наблюдается лития, металла, который очень быстро выгорает в ходе ядерных реакций. Коричневые карлики — это объекты с массой 13-75 масс Юпитера, в которых непродолжительное время протекают ядерные реакции горения дейтерия. Литий в их атмосферах сохраняется и его можно обнаружить спектрально. Тела с массой меньше 13 масс Юпитера (предел определен с 2001 года) не способны поддерживать ядерные реакции и принципиально уже не отличимые от планет-гигантов (см. таблицу 1). Проблема же заключается в том, что внешне очень трудно различить тяжелый коричневый карлик от легкой звезды и тяжелую планету от легкого коричневого карлика, не зная их массы. А литиевый тест может дать однозначный ответ только для тех объектов, чей возраст не слишком мал.

Таблица 1. Маломассивные объекты: легкие звезды, коричневые карлики, планеты, планемо

ОбъектМасса (Юп.)Термояд. синтез H → HeТермояд. синтез D → HeНаличие LiНаличие DСценарий рожденияОбращаются вокруг звезд?
Классические объектыКлассическая звезда>75-80длительныйнепродолж.нетнетколлапси да и нет
Коричневый карлик (тяжелый)65-75непродолж.непродолж.естьнетколлапси да и нет
Коричневый карлик (легкий)13-75нетнепродолж.естьнетколлапс/диски да и нет
Классическая планета<13нетнетестьестьдискда
ПланемоПланета-бродяга<13нетнетестьестьдискнет
Субкоричневый карлик<13нетнетестьестьколлапснет

Поэтому следует обратиться также к истории формирования тел планетной массы. Ответ на второй вопрос очень важен, так как механизм образования классических планет и звезд по своей сути различен. Так, обычные планеты формируются из протопланетного газопылевого диска, окружающего юную звезду (так образовались и планеты Солнечной Системы). Протопланетные диски обнаружены у множества молодых звезд. Звезды и коричневые карлики появляются путем коллапса фрагмента газопылевого облака, которое уже затем может разделиться на протозвезду и диск, в котором образуются планеты. Звезды из протопланетных дисков не образуются по той простой причине, что масса дисков не достаточна для формирования столь массивных тел. А вот легкий коричневый карлик сформироваться вполне может.

Протопланетные диски у новорожденных звезд в созвездии Ориона. Фото: NASA/HST

Они не вписываются!

Однако вот незадача: кроме обычных планет, астрономы обнаруживают также тела планетных масс, которые существуют в межзвездном пространстве, не относясь к какой-либо звезде (free-floating). По последним данным их число в нашей Галактике может превышать количество число звезд. Эти тела, получившие общее название планемо, делятся на два класса: одни образовались как планеты, в околозвездных дисках, но затем под действием гравитационных сил оказались выброшенными из планетной системы и пустились в свободное плавание. Другие сформировались как звезды или коричневые карлики, путем коллапса. Оказывается, массивные планеты могут образовываться и таким способом!

В результате тела, относящиеся к первому классу, получили название «планеты-бродяги» (rogue planets), а объекты второго класса — «субкоричневые карлики». Этим астрономы хотели подчеркнуть различный механизм образования этих тел.

субкоричневые карлики

Планемо в созвездии Ориона. Фото: Источник: Zapatero Osorio, et al.

Определения

Путаница и неразбериха возникает из-за того, что механизм формирования планет и легких коричневых карликов может совпадать, а различить их внешне часто бывает почти невозможно. Появившаяся в 2003 году рекомендация рабочей группы по экзопланетам МАС начисто отвергает важность сценария формирования объектов и призывает обращать внимание только на их физическую природу. По их мнению:

объект с истинной массой ниже минимально возможной для начала термоядерной реакции дейтерия (то есть, с массой меньше 13 масс Юпитера), обращающийся вокруг звезды или её останков — называется «планета» (независимо от сценария его формирования).
объекты с массой выше минимально необходимой для начала термоядерной реакции дейтерия — «коричневые карлики» независимо от того, как они сформировались и где расположены.
объекты, находящиеся в «свободном плавании» в молодых звёздных кластерах с массами ниже необходимой для термоядерной реакции с участием дейтерия, — не «планеты», но «субкоричневые карлики».

Но как мы видели в случае планет-бродяг, механизм формирования сбрасывать со счетов все же нельзя. Не называть же термином «субкоричневый карлик» потенциально обитаемые земноподобные планеты с океанами только на том основании, что они не вращаются вокруг какой-либо звезды!..

Авторы недавно вышедшей статьи «Определение экзопланет и внесение их в каталоги» обращают внимание и на пример звезды HD 168443, у которой обнаружены два компаньона. Один из них коричневый карлик, второй — планета с минимальными массами 18,1 и 8,2 масс Юпитера соответственно. Учитывая, что их природа идентична (они образовались, несомненно, в протопланетном диске), уместно ли разделять тела и одно из них вносить в каталог, а другое нет?

Исходя из чисто практических соображений, Жан Шнайдер (Jean Schneider) сотоварищи подняли планку минимальной массы для коричневых карликов до 25 масс Юпитера. Почему именно 25 масс Юпитера? Дело в том, что объектов именно с такой массой обнаружено в космосе меньше, чем каких-либо других. «Провал» в спектре масс, кажется, недвусмысленно намекает на различие в сценариях формирования тел. Более легкие объекты формируются в основном в протопланетных дисках, а более тяжелые путем коллапса.

Провал в спектре масс субзвездных объектов. По оси x отложена масса объектов в массах Солнца, по оси y — количество известных компаньонов в звездных системах. Фото: Stephane Udry

Выводы

Итак, у нас есть два определения для экзопланеты плюс определение МАС для планет Солнечной Системы. Но вопрос остается. Что же такое экзопланета? Для удобства предлагаю дать свое определение экзопланете. По нашему мнению, экзопланетой следует считать небесное тело, которое:

имеет массу ниже 13 масс Юпитера;

обращается по орбите вокруг звезды или коричневого карлика, или свободно плавает в межзвездном пространстве, и при этом не является спутником другого тела с массой ниже 13 масс Юпитера;

спутники тел с массой ниже 13 масс Юпитера называются экзолунами

Заранее предвижу возражения. Многим такое определение не понравится. Многие предложат свое.

Разумеется. Именно в этом и выражаются смутные времена.