В октябре прошлого года я публиковал в этом блоге статью «Астероид – не роскошь, а средство передвижения», в которой рассматривал потенциальные возможности переоборудовать небольшой астероид в звездолёт или даже в поколенческий корабль. Среди многочисленных отзывов, которые я получил на эту публикацию (одних только комментариев на Хабре набралось 212) были и вопросы о том, как я отношусь к идее о межзвёздных путешествиях на странствующих планетах или, как их называют в англоязычных источниках, «rogue planets». Странствующие миры – один из многих сюрпризов, которые преподносит нам изучение экзопланет. Одна из первых статей о существовании блуждающих планет и о том, что они потенциально могут быть резерватами жизни в межзвёздном пространстве принадлежит Дэвиду Дж. Стивенсону. Эта статья была опубликована в журнале «Nature» в 1999 году. После 2011 года с чисто статистической точки зрения не остаётся сомнений, что в нашей Галактике может существовать до 200 миллиардов блуждающих планетоподобных тел. В начале XXI века такие тела начали открывать методом микролинзирования; на Хабре об этом не так давно писал уважаемый @SLY_G. Ниже рассмотрим, что могут представлять собой блуждающие планеты, что о них известно наверняка, а что остаётся в статусе гипотез.
История открытия свободно блуждающих планет
Свободно плавающие планеты (FFP) – это целый класс небесных тел, в реальности которых сегодня не приходится сомневаться, но по поводу их происхождения и формирования пока остаётся масса вопросов. Писатели-фантасты уже на протяжении последней четверти XX века предполагали, что планета может покинуть орбиту в своей звёздной системе и отправиться в свободное плавание, причём, это может произойти как по естественным, так и по техногенным причинам. Ещё в 1925 году немецкий физик Вальтер Гоман описал гравитационный манёвр, позже получивший название «эффект гравитационной пращи». Суть эффекта в том, что, правильно подбирая траекторию космического аппарата, можно добиться, чтобы он проходил вблизи от планет-гигантов и разгонялся под действием их гравитации. Эффект гравитационной пращи существует и в естественной форме: именно поэтому Юпитер и Сатурн успели хорошо очистить внутреннюю часть Солнечной системы от комет и крупных метеоритов, выбросив их в сторону облака Оорта. Теоретически, такой «манёвр» мог бы выбросить из системы и полноценную планету. Правда, в таком случае планеты-сироты были бы крайне редкими или даже единичными. Неудивительно, что уже в конце прошлого века планетами-сиротами заинтересовались фантасты. В 1977 году Джордж Мартин, сегодня известный прежде всего своей фэнтезийной сагой «Песнь льда и огня», опубликовал роман «Умирающий свет», повествующий о гибнущем мире Уорлорн, удаляющемся в сторону от родной звезды и вообще от многозвёздного региона галактики. У Лю Цысиня, прославившегося романом «Задача трёх тел» есть повесть «Блуждающая Земля», экранизированная в 2023 году, где Земля контролируемо сводится с орбиты и направляется в систему Альфы Центавра, чтобы таким образом цивилизация могла спастись от скорого превращения Солнца в красный гигант. Тем не менее, уже на рубеже XX и XXI века в некоторых регионах нашей Галактики, характеризующихся активным звездообразованием, были открыты первые настоящие планеты-сироты.
По-видимому, планеты-сироты относятся преимущественно к двум большим классам: коричневым субкарликам и суперземлям. Планеты-сироты были впервые обнаружены в звёздных яслях в созвездии Ориона около 2000 года.
Звёздные ясли – это области активного звездообразования, где находятся компактные скопления очень молодых голубых звёзд. Поэтому как температура межзвёздной среды, так и плотность газа там достаточно велики, чтобы планеты-одиночки можно было обнаруживать не методом спектрального анализа, а по возмущениям пыли и газа (в совокупности с многоспектральной фотометрией). Одних лишь фотометрических методов в данном случае недостаточно, так как на фоне звёзд планеты слишком тусклые.
Существование несветящихся звёзд, которые состоят из гелия и водорода, но не имеют достаточной массы для запуска ядерных реакций, было предсказано в 1963 году. Тогда было вычислено минимальное пороговое значение массы (0,08 массы Солнца или примерно 80 масс Юпитера), при котором самогравитирующий объект может считаться звездой. Ниже этого порога в космическом теле не может стабильно поддерживаться водородный термоядерный синтез. Дело в том, что в объекте происходит вырождение электронного газа, из-за чего в ядре «звезды» не достигаются показатели давления и температуры, достаточные для термоядерных реакций. Изначально такие объекты, открытые на кончике пера, были названы «чёрными карликами», а термин «коричневый карлик» был введён в 1975 году. Обнаружить реальный коричневый карлик впервые удалось в 1995 году – его назвали Глизе 229B, он обращается в системе звезды Глизе 229. Глизе 229 – это красный карлик (спектральный класс М), расположенный в созвездии Зай ца в 19 световых годах от Земли. В том же 1995 году в звёздном скоплении Плеяд был обнаружен и первый одиночный коричневый карлик Тейде 1, обладающий примерно 55-70 массами Юпитера и минимальной светимостью – примерно в 1000 раз меньше солнечной. Вот сравнительные размеры Юпитера, Солнца, Глизе 229А и коричневых карликов:
С тех пор найдены сотни коричневых карликов, и эта выборка постоянно растёт, а в настоящее время уже поддаётся статистическому анализу. Граница между планетами-гигантами и звёздами-карликами оказалась удивительно зыбкой, притом, что даже в коричневых карликах, по-видимому, возможны кратковременные, очаговые или периодические термоядерные реакции с участием дейтерия.
В тех же условиях образуются и странствующие планеты другого типа – имеющие скалистое ядро. Они должны быть максимально похожи на суперземли или представлять собой целый спектр переходных форм между «ледяным нептуном» и «суперземлёй».
Поправки в уравнение Дрейка
Такие «новые вводные» кажутся наиболее серьёзной коррекцией знаменитого уравнения Дрейка с тех пор, как оно было сформулировано. Вплоть до начала 2020-х считалось, что основной материал для образования планет – это протопланетные облака, и что планеты находятся на вполне стационарных орбитах возле родительских звёзд, если только не были выброшены из родной системы в результате катаклизма. Ранее я даже публиковал перевод статьи о компьютерной модели, демонстрирующей, как инопланетная цивилизация могла бы разместить в зоне обитаемости своей звезды до 416 землеподобных планет. Действительно, до сих пор мы полагаем, что основным источником энергии на планете должен быть свет родительской звезды, но и этот тезис не кажется столь бесспорным. К началу 2020-х технология гравитационного микролинзирования позволила обнаружить десятки скалистых экзопланет, сравнимых по размеру с Землёй и Марсом, причём, множество таких тел не относятся к конкретной звёздной системе. В этом исследовании 2023 года, выполненном под руководством Наоки Косимото из Центра космических полетов NASA им. Годдарда, а также в аналогичном исследовании 2023 года, выполненном в Университете Осаки, даются оценки, по которым количество планет-сирот в Галактике может в 20 раз превышать количество звёзд, если причислять к числу странствующих планет коричневые субкарлики. Но давайте подробнее остановимся на странствующих планетах, которые можно условно причислить к «земной группе».
В 2014 году Бенджамин Бромли (факультет физики и астрономии университета Юта) и Скотт Кеньон (Смитсоновская астрофизическая обсерватория) сформулировали гипотезу о «рассеянных планетах» (scattered planets). По мысли авторов, на самых ранних этапах формирования планетной системы её может покидать «первое поколение» скалистых миров, в недрах которых уже успевают накопиться значительные запасы радиоактивных элементов, а на поверхности может существовать тонкая восстановительная атмосфера. Возможно, именно таким телом была Тейя – гипотетическая планета, от столкновения которой с Землёй могла образоваться система «Земля-Луна». Согласно компьютерной модели, подготовленной в Центре изучения космоса и его обитаемости в Берне, Тейя могла быть гораздо крупнее Земли (приближаясь по весовой категории к суперземле), и при столкновении задела нашу планету по касательной, а далее вылетела из плоскости эклиптики и продолжила существовать как планета-сирота.
С чисто статистической точки зрения в нашей Галактике могут существовать миллиарды и даже триллионы странствующих планет – такую оценку даёт, в частности, знаменитый популяризатор астрономии Нил Деграсс Тайсон. В таком случае (и для того, чтобы уточнить уравнение Дрейка) было бы интересно прикинуть, какими свойствами должна обладать такая планета, чтобы её можно было считать жизнепригодной. Первое теоретическое исследование такого рода было выполнено ещё в 2011 году Дорианом Эбботом и Эриком Суитцером из Университета Чикаго. Они назвали потенциально обитаемую странствующую планету «Steppenwolf» («Степной Волк») и предположили, что это должен быть водный мир, по размеру схожий с Землёй, но по внутренней структуре – с Европой или Энцеладом, крупными спутниками Юпитера. «Степной Волк» должен быть покрыт толстым слоем льда, а внутри иметь жидкий океан, подогреваемый ядерными реакциями.
Сложно спрогнозировать, какие запасы радиоактивных элементов должны быть на странствующей планете, чтобы она не промёрзла до дна океана в течение первого миллиарда лет её автономного существования. Но, поскольку газопылевая среда в звёздных яслях не только богата молекулярным водородом, но и содержит значительное количество органики (в том числе, кольцевых ароматических молекул), лёд и силикаты должны быть вполне типичным строительным материалом для скалистых странствующих планет.
Притом, что надёжные методы для массового поиска мелких странствующих планет пока отсутствуют, со странствующими планетами-гигантами ситуация более понятная. В конце 2021 года группа под руководством Нурии Мирей-Ройг (состоявшая из сотрудников астрофизической лаборатории Бордо и Венского университета) опубликовала статью с описанием популяции странствующих планет в созвездии Скорпиона. На снимках «ОБТ» (Очень Большого Телескопа), развёрнутого в пустыне Атакама, японского телескопа «Subaru», космического телескопа Gaia Европейского космического агентства и других аппаратов было найдено и проанализировано до 170 странствующих планет-гигантов. Выяснилось, что такие планеты активно излучают в инфракрасном диапазоне, как минимум, в течение нескольких миллионов лет с момента формирования. Таким образом, множество странствующих планет образуется в этой области неба буквально «сейчас», и в этом регионе они могут быть не менее многочисленны, чем традиционные планеты из околозвёздных эклиптик. Вот как выглядит этот снимок:
Заключение
Большинство данных, приведённых в этой статье, являются в лучшем случае приблизительными и ориентировочными, так как ещё в начале нынешнего века планеты-сироты считались в лучшем случае «выбросами», время от времени возникающими при формировании планетных систем. Сегодня же можно сказать, что огромные популяции этих планет, среди которых должны преобладать «юпитеры», «нептуны» и, возможно, «суперземли», напрашиваются на роль того недостающего звена, которое могло бы превратить некоторые гипотезы в теории. Важнейшая в этом ряду – гипотеза панспермии. По-видимому, странствующих газовых гигантов в Галактике настолько много, что система «странствующий юпитер с крупными льдистыми спутниками» может оказаться не менее распространённой, чем привычная нам система «жёлтый/красный карлик с планетами». Изобилие странствующих планет в будущем может значительно облегчить исследование звёздных яслей, добычу водорода (и особенно дейтерия) в межзвёздных путешествиях, а также потенциальную колонизацию точек Лагранжа.
