Согласно новому исследованию, представленному в Письмах в астрофизический журнал, планеты чаще образуются в системах звезд с относительно высокими концентрациями элементов, более тяжелых, чем водород и гелий. Такие элементы необходимы для формирования частичек пыли и, с течением времени, планетезималей, из которых затем вырастают ядра планет. Авторами этого исследования являются Джаретт Джонсон и Хи Ли, оба сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории. Они также показали, что диски газа, окружающие молодые звезды, существуют не так долго, если в них мало тяжелых элементов, или металлов, как их называют астрономы. Скорее всего это является результатом более эффективного сдувания материала светом, излучаемым звездой.

Эпоха планет

В космической истории выделяются несколько эпох, характеризующихся важными процессами. Одна из них началась с образованием первых планет около звезд. Это произошло после того, как первое поколение, а может даже и не одно, умерло во взрывах сверхновых. Эти взрывы обогатили Вселенную тяжелыми элементами – углеродом, кремнием, кислородом.

«Наши вычисления дают оценку минимально необходимого для образования планет количества тяжелых элементов в аккреционном диске около звезды, – говорит Джонсон. – Поскольку единственным их источником являются взрывы звезд, планеты могли появится только вслед за первым их поколением».

Понимание процессов образования первых планет дает важную информацию о ранней Вселенной. Это также имеет большое влияние на поиск внеземной жизни. Удачная теория образования первых планет должна указывать на свойства этих планет и их звезд. Соответственно, эта теория может быть проверена на очень старых планетах нашей галактики и на небольших звездах, так как обогащение металлами должно оказывать влияние на формирование небольших светил вроде Солнца.

«Планета, столь же массивная и плотная как Земля, может образоваться только если сверхновые обогатили газ тяжелыми элементами как минимум до 10% их концентрации в Солнце, – говорит Джонсон. – Это говорит о том, что много поколений звезд умерло прежде чем начали формироваться планеты, пригодные для жизни».

Необходимо также принимать во внимание истощение диска около звезды. Оно происходит в первую очередь из-за испарения вещества излучением звезды и образования газовых гигантов, но первый процесс имеет доминирующее значение. Наблюдения показывают, что диски с малым содержанием тяжелых элементов существуют недолго, так что чем больше металлов в нем, тем больше вероятность образования тяжелой планеты.

Жизнь пыли

Для оценки критической плотности металлов в диске около звезды Джонсон и Ли сравнили время жизни диска и время, необходимое для образования сгустков частичек пыли. Поскольку это последнее время зависит от плотности и температуры диска, которые являются функциями расстояния от звезды, критическая плотность металлов также зависит от этого расстояния.

«Наши расчеты на самом деле довольно просты по сравнению со многими другими, так мы сконцентрировались лишь на том, что считаем особенно важными процессами при образовании планетезималей при низких плотностях тяжелых металлов, – говорит Джонсон. – К ним относятся рост сгустков пыли и их концентрация в планетезимали и разрушение диска излучением звезды. Хотя расчет и прост, он показывает, как современные теории формирования планет объясняют их образование при низкой концентрации металлов».

Стоит отдельно выделить некоторые допущения, принятые при моделировании. В первую очередь, считалось, плотность металлов в звезде такая же, как и у протодиска, из которого она образовалась. Далее, орбиты планет предполагались круговыми, так как в противном случае результаты сложнее сравнить с наблюдательными данными. Наконец, планеты, однажды образовавшись на одной орбиты, не мигрируют на другую, что, на самом деле, случается довольно часто.

Джонсону и Ли удалось показать, что формирование планетезималей происходит только при достижении критической плотности тяжелых элементов в изначальном облаке газа и пыли, из которого сначала появляется звезда. Поскольку звезды третьей популяции не имели такого количества металлов, они не имели планеты, но их взрывы сверхновыми сделали возможным для планет второй популяции иметь планеты. Такие звезды еще могут существовать во Вселенной.

Первые планеты

Некоторые результаты моделирования привели к неутешительным выводам. Например, было показано, что первые планеты могли образовываться на расстояниях всего в 0.03 а.е. Меркурий отстоит от Солнца на 0.4 а.е. и эта планета совершенно выжжена светилом. Первые планеты могил иметь температуру поверхности в 1300 градусов Цельсия, что делало их непригодными для жизни.

«Что интересно, одновременно наши результаты показывают, что первые землеподобные планеты могли образоваться в зонах обитания звезд, немного более массивных, чем Солнце, – говорит Джонсон. – Поскольку более массивные звезды сгорают раньше, то жизнь, которая могла появиться и эволюционировать на планетах около этих звезд, скорее всего погибла вместе со звездами, срок жизни которых составлял всего 4 миллиарда лет, не так много по сравнению с 10 для нашего Солнца».

Астрономы также обращают внимание на тот факт, что образование землеподобных планет в зонах обитания отнюдь не говорит о возможном зарождении жизни. Проблема в том, что молодая Вселенная содержала большое количество сверхновых и черных дыр, излучение которых губительно для жизни. Скорее всего, условия, подходящие для зарождения и эволюции жизни, появились только после образования первых галактик.