Когда планеты поют: как космические столкновения заставляют гигантов «звенеть» миллионы лет

Космос часто представляется нам местом абсолютной тишины, вакуумной пустотой, где звук не распространяется. Однако на субатомном и гравитационном уровне Вселенная полна вибраций, а недавние исследования показывают, что и отдельные планеты могут «звучать» — или, точнее, вибрировать, как гигантский колокол, — в течение миллионов лет после колоссальных столкновений. Эта «планетарная сейсмология» открывает удивительные перспективы для изучения далеких миров, и космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) может стать нашим главным «слуховым аппаратом».

Космический бильярд и шрамы на Луне

Чтобы понять, откуда берется этот «звон», достаточно бросить взгляд на нашу соседку — Луну. Ее изрытая кратерами поверхность — это не что иное, как застывшая летопись бурной молодости Солнечной системы. Миллиарды лет назад наша система напоминала гигантский космический бильярдный стол, где протопланеты, астероиды и кометы сталкивались с оглушительной частотой. Именно такие столкновения, как считается, привели к формированию Луны (гипотеза гигантского удара), наклону оси Урана и многим другим особенностям планет.

Логично предположить, что подобные процессы характерны для всех молодых планетных систем. И если для каменистых планет вроде Земли или Луны следы этих столкновений — это кратеры, то для газовых гигантов последствия могут быть куда масштабнее и… музыкальнее. Новая работа группы астрономов под руководством Дж. Дж. Занацци из Калифорнийского университета в Беркли как раз и посвящена моделированию такого сценария.

Бета Живописца b: гигантский колокол на прицеле

Ученые задались вопросом: что произойдет, если в молодой газовый гигант врежется другой, достаточно массивный объект? Смоделировав столкновение планеты размером с Нептун (около 17 масс Земли) с молодой экзопланетой Бета Живописца b, исследователи получили интригующие результаты.

Бета Живописца b — это настоящий супер-Юпитер, примерно в 13 раз массивнее нашего газового гиганта. Планета эта очень молода по космическим меркам (12-20 миллионов лет) и вращается вокруг звезды Бета Живописца. Что особенно интересно, так это ее состав: она чрезвычайно богата «металлами» (в астрономическом смысле — все, что тяжелее водорода и гелия), причем их масса оценивается в 100-300 масс Земли! Предполагается, что такое обогащение — результат активного поглощения планетезималей и, возможно, слияний с ядрами других, менее крупных планет на ранних этапах формирования. Именно такие массивные, «металлические» ядра и могут стать идеальными резонаторами.

Так вот, симуляция показала, что удар такой силы способен возбудить в недрах Беты Живописца b мощные и, что самое главное, долгоживущие сейсмические волны. Представьте, что вы ударили по огромному колоколу — он будет гудеть еще долгое время. С планетой происходит нечто похожее: энергия удара трансформируется во внутренние колебания, которые могут затухать миллионы лет!

Как «услышать» далекий грохот? Оптика JWST спешит на помощь

Но как услышать этот гул через бездну космоса, да еще и учитывая, что JWST — это телескоп, а не гигантский микрофон? Ответ кроется в фотометрии. Мощные сейсмические волны, проходящие через газовый гигант, будут вызывать едва заметные, но регулярные изменения его формы и, как следствие, его яркости. Поверхность планеты будет буквально «дышать» или вибрировать.

Именно эти периодические колебания блеска и способен зафиксировать «Джеймс Уэбб» благодаря своей невероятной чувствительности. Ученые рассчитали, что если столкновение с Бетой Живописца b произошло в последние 9-18 миллионов лет (что вполне укладывается в ее возраст), то отголоски этого события — те самые сейсмические волны — все еще могут быть достаточно сильны, чтобы JWST их «увидел».

Что расскажет «звон» планет? Окна в недра и тайны миграции

Зачем все это нужно? Что такого ценного может рассказать нам «звон» далекой планеты?

1. Заглянуть внутрь гиганта: Сейсмология — это, по сути, единственный способ напрямую изучить внутреннее строение планеты. На Земле мы используем сейсмические волны от землетрясений, чтобы «просвечивать» недра. Для далеких экзопланет таким «землетрясением» может стать гигантский удар. Анализируя частоты и характер затухания этих планетарных колебаний (так называемых нормальных мод), ученые смогут оценить объемную плотность планеты, наличие слоев с разной плотностью (стратификацию), возможно, даже размер и состояние ее ядра. Подобные методы уже применялись для изучения Сатурна по данным с «Кассини», но теперь речь идет о планетах у других звезд!
2. Понять формирование и эволюцию: Если мы сможем подтвердить, что молодые газовые гиганты действительно «звенят» после столкновений, это станет еще одним весомым аргументом в пользу модели формирования планет через аккрецию и последующие слияния. Наличие тяжелых металлов, как у Беты Живописца b, тоже находит свое объяснение в этом бурном прошлом.
3. Обнаружить миграцию планет: Интересно, что столкновения — не единственный способ заставить планету «звучать». Авторы исследования отмечают, что так называемые «горячие» и «теплые» Юпитеры (газовые гиганты, вращающиеся очень близко к своим звездам) могли попасть на свои текущие орбиты в результате процесса, называемого высокоэксцентриситетной миграцией. Грубо говоря, планета сначала двигалась по очень вытянутой орбите, и мощные приливные силы со стороны звезды на каждом сближении «раскачивали» ее, возбуждая внутренние колебания. Эти приливно-возбужденные моды также могут приводить к изменениям яркости, которые JWST потенциально способен зафиксировать. Это открывает еще один путь к пониманию того, как планеты меняют свои орбиты с течением времени.

Будущее планетарной сейсмологии

Идея использовать отголоски древних катаклизмов для изучения недр экзопланет звучит фантастически, но она прочно основана на физических моделях. Если JWST действительно удастся зафиксировать подобные «звоны» у Беты Живописца b или других молодых гигантов, это станет настоящим прорывом. Мы получим новый, невероятно мощный инструмент для понимания того, как рождаются, живут и умирают планеты в необъятной Вселенной. Возможно, тихий космос скоро заговорит с нами на языке планетарных вибраций, и нам просто нужно научиться его слушать. И телескоп «Джеймс Уэбб», похоже, готов стать нашим лучшим переводчиком с этого космического языка.