Планетарами или блуждающими планетами называют планеты, которые не вращаются вокруг звёзд, а свободно дрейфуют в межзвёздном пространстве. За исключением немногих очень горячих либо сравнительно близких к Солнцу объектов, они не поддаются прямому наблюдению; в редких случаях можно обнаружить планетар методом гравитационного линзирования. Большинство блуждающих планет, скорее всего, никогда не будет открыто. Но это не мешает нам поспекулировать на тему их устройства и эволюции.
Планетары должны быть достаточно распространены в Галактике. Если экстраполировать зависимость количества звёзд от их массы (которая известна по наблюдениям) на область планетных масс (до 13 масс Юпитера), то можно вычислить, что в среднем на 1 кубический парсек приходится 2 планетара. Это означает, что 4-5 планетаров расположены ближе к Солнцу, чем Проксима Центавра.
По своему происхождению блуждающие планеты делятся на две группы. Планетары первой группы образовалась, подобно звёздам, в результате гравитационного сжатия газово-пылевых облаков. Вторые возникли, подобно обычным планетам, в протопланетных дисках, но были выброшены в межзвёздное пространство из-за возмущений со стороны соседних планет. Различия между этими группами велики. Планетары первой группы практически всегда окружены спутниками и кольцами, и очень часто образуют двойные и кратные системы. В их химическом составе преобладают лёгкие элементы и соединения — водород, гелий и разнообразные льды. Блуждающие планеты второго типа чаще всего одиночны и невелики по размерам, обычно легче Земли. Их химический состав разнообразен: встречаются как ледяные планеты, так и каменные (силикатно-металлические), выброшенные из внутренних зон планетных систем.
Все достаточно крупные планетары обладают горячими недрами, поэтому температура их поверхности выше, чем у межзвёздной пыли (10-30 К) — но, как правило, ненамного выше. Лишь самые крупные и молодые планетары первой группы — в несколько раз массивнее Юпитера и не старше 10 млн. лет — разогреты до 1000-1500 К и заметно светятся в видимом диапазоне. К ним относится объект Cha 110913, единственный пока реально обнаруженный планетар (впрочем, не исключено, что это коричневый карлик). Вблизи такие объекты выглядят как звёзды насыщенного красно-оранжевого цвета и довольно высокой яркости. Так, Cha 110913 имеет блеск полной Луны на расстоянии 1,5 а. е. и блеск Солнца на расстоянии 380 тыс. км (как между Землёй и Луной); с этого расстояния он виден как диск с угловым диаметром 67°. Как правило, подобные объекты окружены газово-пылевыми дисками, из которых со временем формируются системы спутников и колец. Постепенно планетар остывает, теряет яркость и превращается в тускло-багровый диск в чёрных облачных полосах. При температуре ниже 900 К он уже почти не выделяется невооружённым глазом на фоне неба, облачные полосы и другие детали можно разглядеть лишь в инфракрасных лучах. На светлом фоне Млечного Пути или какой-нибудь туманности блуждающая планета проявляется как чёрный диск в просвечивающем коричневатом ореоле атмосферы. Тьма, царящая на её поверхности, едва рассеивается лишь светом звёзд, вспышками молний и вулканическими извержениями.
Условия на блуждающих планетах определяются главным образом плотностью и химическим составом их атмосфер. Атмосферы образуются двумя путями: из вулканических газов и из захваченной межзвёздной среды. Вулканический газ может включать в себя водяной пар, углекислый газ, азот, метан, молекулярную серу, диоксид серы, сероводород и множество других соединений, в зависимости от состава верхней мантии и её температуры. Межзвёздный газ по большей части представляет собой атомарный или ионизированный водород. Он настолько горяч, что его быстрые частицы практически не имеют шансов на захват полем тяготения планеты, и к тому же крайне разрежен (1 атом на см3 и меньше). Однако в этой среде втречаются островки сравнительно плотного (10-1000 атомов на см3) и очень холодного (10-30 К) газа — молекулярные облака. Они состоят в основном из молекулярного водорода и гелия, а также содержат неон, аргон, азот, молекулярный углерод, кислород, воду, оксиды углерода (угарный и углекислый газ), оксиды и гидриды серы и некоторых металлов, свободные радикалы гидроксил, карбонил, нитрил и множество других молекул, включая достаточно сложные органические соединения. Помимо отдельных молекул, в облаках присутствуют микроскопические пылинки, состоящие обычно из графита и силикатов, и покрытые наледью из замёрзшей воды, метана, аммиака и угарного газа. Средний диаметр молекулярных облаков 10-20 парсек, а расстояние между ними 90-100 парсек, они тесно группируются к плоскости Галактики. Пройдя сквозь такое облако за время порядка 100 тыс. лет, планетар может увелить массу и давление атмосферы в десятки раз. За время своей жизни блуждающая планета проходит сквозь тысячи облаков, при условии, что её траектория лежит в плоскости Галактики, а в большинстве случаев так оно и есть.
Если свойства обычных планет определяются двумя главными факторами — массой и освещённостью, то для блуждающих планет имеет значение только масса. В зависимости от массы выделяют следующие классы планетаров:
1. Карлики
Тела размером до 400 км в поперечнике обычно имеют неправильную форму и потому планетарами не считаются, их аналоги в Солнечной системе — кометы и астероиды. Наименьшие подлинные планетары, аналоги карликовых планет Солнечной системы, имеют массу от 10^-5 до 0,05 МЗ (масс Земли). Они обладают сферической формой, обычно внутренне неоднородны (расслоены на ядро, мантию и кору) и могут проявлять вулканичесукую активность — обычно в результате приливного разогрева. Атмосферы нет. Поверхность покрыта загрязнённым льдом из смеси различных газов, гладка и лишена кратеров.
2. Субземли
Планетары размерами порядка Марса и больше (0,05 — 0,5 МЗ) обладают горячими недрами и более-менее вулканически активны даже без приливного воздействия. Если извержения достаточно часты, то они обеспечивают планету разреженной, неоднородной и нестабильной атмосферой из микроскопических пылинок. Для удержания нормальной газовой атмосферы тяготения планетара недостаточно — вулканические газы улетучиваются с планеты (водород и гелий) или замерзают (все остальные вещества). Также и при проходе сквозь молекулярное облако планетар захватывает не молекулы, а лишь пылинки, которые оседают на его поверхность в виде рыхлого грязного снега.
3. Неоновые земли
Планетар массой 0,6-0,8 МЗ уже способен удержать атмосферу из азота, неона и угарного газа. Молекулы этих веществ довольно редки в космосе, и поэтому атмосферы из них образуются весьма разреженные. Азот и угарный газ накапливаются до тех пор, пока их парциальное давление не достигнет давления насыщенного пара (оно сильно зависит от температуры, но не превышает 0,1 кПа для азота и 0,01 кПа для СО). После этого рост давления прекращается, и вновь поступающие молекулы осаждаются только в твёрдом виде. Неон же остаётся газообразным и при более высоком давлении, поэтому у старых блуждающих планет этой группы атмосферы в основном неоновые. Поверхность их покрыта азотно-угарным льдом. Существуют немногочисленные неоновые земли с температурой в узком диапазоне около 25 К и давлением выше 43 кПа (0,04 атм), на которых присутствует жидкий неон в виде облаков или небольших водоёмов, покрытых коркой азотного льда. За время жизни планетара (до 10 млрд. лет) плотность атмосферы никогда не достигает значений, при которых начинается парниковый эффект, и температура не поднимается выше 30-40 К.
4. Гелиевые земли
При массе 0,8-1 МЗ планетар может удержать гелий. Поскольку он встречается в космосе в 1000 раз чаще любого из вышеперечисленных газов, атмосфера растёт намного быстрее, и за время жизни планетара достигаются весьма значительные давления и температуры. Пройдя за 1,5 млрд. лет жизни сквозь 3000 молекулярных облаков, планетар обрастает атмосферой с давлением 10 атм, состоящей на 90 % из гелия и на 10 % из неона. В столь плотной атмосфере начинает проявляться парниковый эффект. Температура поднимается выше 65 К, азотно-угарный лёд тает, и планетар покрывается глобальным двухслойным океаном. Нижний слой состоит из азота, верхний из жидкого СО, а по его поверхности плавают метановые льдины. Испарение из океана почти отсутствует, и гелий-неоновая атмосфера остаётся безоблачной.
5. Водородные земли
Если масса планетара превышает 1 МЗ, то он удерживает не только гелий, но и водород, концентрация которого в космических облаках в 10 раз выше. Масса атмосферы, а вместе с ней давление и температура, растёт на порядок быстрее, чем у гелиевых земель. Уже в возрасте 400 млн. лет планетар нагревается до стадии азотно-угарного океана, а к наступлению «зрелого возраста» (4 млрд лет) давление доходит до 80 атм, температура до 140 К, и океан испаряется вместе с метановым льдом. Планетар окутывается слоем азотных, угарных и метановых облаков. При высоком содержании метана возможно его частичное сжижение и образование метановой гидросферы, с реками и озёрами, как на Титане, или даже морями. Твёрдая поверхность водородной земли сложена в основном «песком» из твёрдых аммиачно-водяных льдинок. Мощные ветры, вызванные вращением планетара, создают обширные поля барханов, ориентированных с востока на запад. Типичный состав атмосферы после испарения океана: 45 % по массе водорода, 37 % гелия, по 6 % азота, угарного газа и неона.
6. Суперземли
Чем массивнее планетар, тем быстрее он аккумулирует атмосферу и тем сильнее нагревается. При массе 3,5 МЗ давление водородно-гелиевой атмосферы достигает 1000 атм (как на дне Марианской впадины), а температура 273 К, т. е. точки таяния водяного льда. В зависимости от общей массы воды может образоваться как глобальный океан глубиной в десятки и сотни километров, так и сравнительно мелкие океаны земного типа, перемежающиеся континентами. Твёрдая поверхность суперземли сложена уже не льдами, как у более лёгких и холодных планетаров (все льды растаяли), а горными породами, аналогичными земным базальтам океанского дна. Гигантское давление препятствует испарению из океанов, поэтому круговорота воды нет, вся она сосредоточена в океанах и внутренних морях — ни рек, ни ледников, ни облаков не существует. Поверхность континентов выглядит как совершенно сухая пустыня, выровненная постоянным восточным ветром ураганной силы. Океанская вода отличается высокой солёностью, дно покрыто толстым слоем метаногидратов. Вблизи подводных геотермальных источников встречаются оазисы примитивной бактериальной жизни.
7-8. Нептуны и юпитеры
При массе планетара свыше 10 МЗ он представляет собой газовый гигант — существенная доля его массы приходится на водородно-гелиевую атмосферу. По строению и составу гигантские планетары мало чем отличаются от холодных планет-гигантов с окраин планетных систем. Основное отличие состоит в том, что планетары наращивают массу в течение всей жизни (в то время как нормальные планеты растут только в период формирования из диска). Чем массивнее планетар, тем быстрее он растёт, и достаточно крупные юпитеры (более массивные, чем собственно Юпитер) имеют шанс дорасти до коричневого карлика, тем самым выйдя из категории планет. После этого аккумуляция межзвёздного газа прекращается, так как коричневый карлик отталкивает его молекулы своим излучением.
- - - - - - -
Использованные формулы и величины
В статье D. J. Stevenson, Possibility of Life-Sustaining Planets in Interstellar Space (
http://www.gps.caltech.edu/uploads/File/People/djs/interstellar_planets.pdf), приводится формула для вычисления температуры на поверности планетара:
T = T0 * x^(1/12) * (1000 f)^0,36 (кельвин),
где T0 = 275 для ледяных планет и Т0 = 425 для каменных планет,
х — отношение массы планеты к массе Земли,
f — отношение массы атмосферы к массе планеты.
Масса атмосферы вычисляется следующим образом. Планета, проделавшая путь dL в облаке молекул с концентрацией n, захватывает на своём пути n * S * dL молекул, где S — эффективное сечение захвата. Радиус r эффективного сечения определяется из условия равенства первой космической скорости и среднеквадратичной скорости движения молекул:
G * M / r = 3 * k * T / m,
где G — гравитационная постоянная, М — масса планеты, k — постоянная Больцмана, Т — кинетическая температура межзвёздного газа, m — масса молекулы газа.
Таким образом, при проходе расстояния dL планета увеличивает массу атмосферы на величину
dM = m * n * S * dL = m * n * pi * ((G * M * m) / (3 * k * T))^2 * dL
Интегрируя уравнение, получаем, что масса планетара после прохода облака поперечником L равна
M = 1 / ( 1/M0 — pi * G^2 * n * L * m^3 / (3 * k * T)^2 )
где М0 — масса планетара до входа в облако.
Искомая доля атмосферы
f = (M — M0) / M0.
Минимальная масса планеты, при которой она способна удержать некий газ, выводится из условия r > R, где R — радиус планеты:
Mmin = 9/2 * (pi * D)^(-1/2) * ((k T) / (G * m))^(3/2),
где D — средняя плотность планеты. В настоящем очерке везде принято значение D = 3 г/см3, характерное для ледяных планет. У каменных планет с D = 5,5 г/см3 пороговые значения массы несколько меньше вышеуказанных.
Физические характеристики молекулярных облаков (средний диаметр — 16 пс, концентрация — 10 атомов/см3, количество облаков на протяжении 1000 пс — 9) взяты из справочника: К. У. Аллен. Астрофизические величины. М., 1960. Скорость движения планетара относительно облаков принята равной 220 км/с (как скорость Солнца относительно спиральных ветвей Галактики). Температура облаков принята равной 30 К.