Некоторые зоны около звезд пользуются особенной популярностью у экзопланет. Они могут привлекать толпы гигантских планет, расталкивающих своей гравитацией все остальные тела – небольшие землеподобные планеты и астероиды, лишь бы занять свое излюбленное место. Вместе с тем, существуют зоны, в которые газового гиганта не затащить никак. Такое распределение газовых гигантов по высотам орбит пока остается не объясненным, но наконец появилась хотя бы численная модель, показывающая аналогичное поведение виртуальных планет.

Когда астрономы начали открывать газовых гигантов, похожих на Юпитер и Сатурн, вне Солнечной системы, они быстро заметили нерегулярное распределение высот их орбит. Данных было мало – планеты только начали находить, методы их анализа только начали развиваться. Теперь мы знаем около 740 экзопланет и активно работаем над изучением их свойств. Опираясь на множество собранных данных, английские астрономы разработали модель, которая может объяснить привередливость газовых гигантов. Она может быть вызвана высокоэнергетическим излучением их звезд.

«Наша модель предлагает неплохое объяснение скачков в распределении положения гигантских планет, выявленные в современных обзорах», – говорит первый автор исследования Ричард Александр, астрофизик и Университета Лечестера.

Излучение звезды, о котором идет речь, проделывает дыры в протопланетных дисках газа и пыли, вращающихся вокруг нее и предоставляющих материал для формирования планет. Этот процесс, иногда называемый прото-испарением, заключается в нагреве материала диска высокоэнергетическими фотонами, в первую очередь ультрафиолетовыми, молекул диска.

Материал диска, находящийся ближе к звезде, становится особенно горячим, но удерживается на том же месте мощным гравитационным воздействием звезды. Поэтому если крупная планета, находящаяся в стадии формирования, мигрирует в эту область, она остается там, и большая часть ее газовой оболочки со временем улетучивается. В дальних областях протопланетного диска, где гравитационное поле звезды не так сильно, нагретый газ улетучивается (его кинетическая энергия превышает потенциальную), образуя дыры. Они действуют как своего рода баррикады, препятствующие проникновению других планет внутрь. Местоположение этих дыр определяется массой звезды, ее спектральными свойствами и массами планет, приблизившихся к звезде. Для звезды, похожей на Солнце, это расстояние составляет одну-две астрономические единицы.

Суперкомпьютерное моделирование эффекта фото-испарения в протопланетных дисках около молодых звезд также показало, что «результирующее распределение расстояний между звездой и планетами не равномерно, но, напротив, характеризуется отчетливыми «пустынями» – областями, в которых наблюдается отчетливый дефицит планет, и пиками, регионами, в которых планет много», – говорит соавтор исследования Илария Паскуччи из Лаборатории наук и Луне и планетах Аризонского университета.

В ходе численного моделирования рассматривались молодые солнечные системы с различным набором гигантских планет, находящихся на разных расстояниях от звезды и разных стадиях формирования. Это объясняется тем, что пока точно неизвестно, где именно и как образуются планеты около любой звезды. В ходе моделирования был получен результат, широко известный благодаря наблюдениям – гигантские планеты мигрируют ближе к звезде после образования, влекомые газом протопланетного диска, падающим на звезду в своем спиральном движении. Но как только газовый гигант попадает в зону, очищенную фото-испарением, он останавливает свое падение и переходит на устойчивую орбиту около звезды.

«Планеты останавливаются либо прямо перед зазором в газопылевом диске, либо сразу за ним, что и создает пики в распределении, – говорит Паскуччи. – Концентрация планет в таких местах становится очень большой, а другие регионы оказываются практически пустыми. Это неравномерное распределение точно совпадает с тем, что мы видим в открываемых солнечных системах».

Тот факт, что в нашей Солнечной системе нет газовых гигантов на расстоянии 1-2 астрономических единиц от Солнца «говорит о том, что наша система скорее всего нетипична, но мы не можем сказать, насколько, – говорит Александр. – Наша модель предсказывает поведение некоторых планетарных систем, похожих на нашу, то есть с планетой вроде Юпитера на расстоянии 5 астрономических единиц от светила, но они являются довольно редким исходом моделирования. К счастью, в течение нескольких лет наблюдения экзопланет позволят нам сказать, насколько наша система уникальна».

Увеличение интенсивности поисков экзопланет должно поддержать или опровергнуть выдвинутую гипотезу. К сожалению, основной инструмент поисков, космический телескоп Кеплер, не очень хорош в обнаружении планет, находящихся так далеко от звезды. Для того, чтобы поместить звезду в кандидаты на обладание экзопланетой, она должна быть трижды затемнена – три раза планету должны найти методом прохода. Период обращения Земли, находящейся на границе интересующей нас зоны, составляет год. Выходит, чтобы найти газовый гигант на таком расстоянии потребуется около трех лет. Тем не менее, во множестве находимых телескопом планет есть и гиганты, обращающиеся далеко от Земли, да и другие методы тоже дают результат. «С ростом числа известных экзопланет в течение ближайших лет мы надеемся значительно улучшить наши знания о дисках газа и пыли, из которых образуются планеты», – говорит Александр.

Новые данные будут использованы и для оценки и уточнения эффекта фото-испарения в связи с небольшими планетами. «Небольшие планеты массой с Землю мигрируют не так, как газовые гиганты, – говорит Александр. – В течение нескольких лет мы должны узнать очень много о таких планетах, в основном благодаря работе телескопа Кеплер, так что я с оптимизмом смотрю на расширение нашего исследования и на такие планеты. Кроме того, пока что мы ограничивались рассмотрением системы из одной планеты, но наблюдения дают нам все больше систем с несколькими планетами, так что это направление работы также представляет большие интерес и важность».