Экзопланеты. Физика, динамика, космогония

УДК 521.1(06):629.78
ББК 72.3
М 28

Издание осуществлено при поддержке гранта
«Теоретические и экспериментальные исследования формирования и эволюции внесолнечных
планетных систем и характеристик экзопланет» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2020-780
(№ 13.1902.21.0039)

М а р о в М. Я., Ш е в ч е н к о И. И. Экзопланеты. Физика, динамика,
космогония. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2022. — 192 с. — ISBN 978-5-9221-1955-9.

В книге рассмотрены проблемы физики, динамики и космогонии внесолнечных планет (экзопланет) и планетных систем. Экзопланеты представляют собой новый широчайший класс астрономических объектов, возможности
исследований которых открылись лишь с конца прошлого столетия. Благодаря постоянно совершенствуемым методам наземных и особенно космических наблюдений, открыто уже несколько тысяч экзопланет. Экзопланеты
представляют первостепенный интерес для астрофизических, космохимических
и динамических исследований. На новую научную основу поставлено решение
фундаментальных проблем звездно-планетной космогонии, в первую очередь
проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы. Обнаружение планет земного типа, особенно расположенных в орбитальных зонах, отвечающих
климатическим условиям, благоприятным для возникновения и поддержания
жизни, открывает новые перспективы для прогресса астробиологии.
Книга предназначена исследователям в широкой области астрономии и астрофизики, планетологии и экзопланетологии; она будет полезна и популяризаторам науки. Книга может также использоваться в учебном процессе
в классических университетах как учебное пособие.

ISBN 978-5-9221-1955-9

c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2022

c⃝ М. Я. Маров, И. И. Шевченко, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

Г л а в а 1. Солнечная система. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .
10

1.1. Основные характеристики . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.2. Планеты земной группы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.3. Планеты-гиганты . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.4. Малые тела . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37

Г л а в а 2. Первые открытия экзопланет и методы обнаружения . . .
43

2.1. Первые открытия . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2.2. Доплеровская спектрометрия . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.3. Наблюдения транзитов . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .
50
2.4. Метод TTV. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
2.5. Наблюдения событий микролинзирования . .. . . . . . . . . . . . . .
55
2.6. Другие методы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

Г л а в а 3. Экзопланеты: близкие и далекие. . . . . . . . .. . . . . . . . . .
59

3.1. Определение планеты . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.2. Планеты в системах Alpha Centauri и Proxima Centauri . .. . . . .
60
3.3. Планеты в далеких системах . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
63

Г л а в а 4. Физические свойства экзопланет . . . . . . . . . . . . . . . . .
64

4.1. Распределение по массам и соотношение «масса–радиус» . .. . . .
64
4.2. Классы экзопланет. .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
66
4.3. Атмосферы экзопланет . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71

Г л а в а 5. Структура и динамика экзопланетных систем . . . . . . . .
78

5.1. Типы планетных систем . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
5.2. Мультипланетные системы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .
79
5.3. Примеры систем, близких по структуре к Солнечной . .. . . . . . .
81
5.4. Многоликая динамика планетных систем. .. . . . . . . . . . . . . . .
82
5.5. Резонансы и динамический хаос. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
5.6. Критерии устойчивости. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
5.7. Резонансы в планетных системах . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88

Оглавление

5.8. Планетная динамика в двойных звездных системах. .. . . . . . . .
92
5.9. Статистика резонансов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
5.10. Некоторые вопросы динамической эволюции . .. . . . . . . . . . . .
99

Г л а в а 6. Протопланетные и остаточные диски . . . . . . . . . . . . . .
102

6.1. Основы космогонии планетных систем. .. . . . . . . . . . . . . . . . .
102
6.2. Протопланетные газопылевые диски . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
6.3. Газовая и пылевая компоненты. .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
6.4. Хронология и космохимические ограничения . .. . . . . . . . . . . .
115
6.5. Структуры циркумбинарных дисков . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
117

Г л а в а 7. Формирование планет и планетных систем . . . . . . . . . .
119

7.1. Проблема переноса момента количества движения. .. . . . . . . . .
119
7.2. Солнечная система: генезис и ограничения. .. . . . . . . . . . . . . .
121
7.3. Образование первичных твердых тел. .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
7.4. Фазы дальнейшей эволюции . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
7.5. Миграция. .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
7.6. Планетные системы двойных звезд . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
7.7. Некоторые актуальные проблемы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139

Г л а в а 8. Области потенциальной обитаемости. . .. . . . . . . . . . . . .
143

8.1. Галактическая и околозвездные области . .. . . . . . . . . . . . . . .
143
8.2. Землеподобные планеты одиночных и двойных звезд . .. . . . . . .
146

Заключение. Перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151

Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
157

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159

Список иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
184

Предисловие

Открытия и исследования планет за пределами Солнечной системы
(внесолнечных, или экзопланет) стали крупнейшим научным достижением и одним из наиболее актуальных разделов современной астрономии. Со времени обнаружения первой экзопланеты прошло менее
трети века, но за это время было открыто несколько тысяч экзопланет
с самыми разнообразными природными свойствами и этот процесс
непрерывно ускоряется.
От самой близкой к нам «внесолнечной» планеты (в системе Проксимы Центавра, находящейся на расстоянии ≈ 1 парсек) до наиболее
удаленных от нас наблюдаемых экзопланет (находящихся на расстояниях ∼10 килопарсек), экзопланеты представляют собой новый и широчайший класс объектов для астрономических, физических и динамических исследований и в первую очередь для решения проблем звезднопланетной космогонии и космохимии.
Авторы попытались обобщить существующие наблюдательные данные и модельные представления об экзопланетах и экзопланетных
системах в книге «Экзопланеты. Экзопланетология» (М.–Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2017) и в обзорной статье «Экзопланеты: природа и модели» (УФН, 2020). Значительно более полное
обсуждение этого чрезвычайно обширного класса небесных тел, сопоставимых с числом звезд во Вселенной, и проблем, связанных с их
изучением, содержится в настоящей монографии. Рассмотрены методы
обнаружения, типы и физические свойства экзопланет, проблемы формирования планетных систем и их динамической устойчивости; проанализированы такие важнейшие явления, определяющие динамическую структуру планетных систем, как резонансы и миграция. Особое
внимание уделено планетным системам двойных звезд. Естественно,
что наибольший интерес для исследователей представляют планеты
земного типа, расположенные в орбитальных зонах, где возможно
существование условий, благоприятных для жизни; они рассмотрены
наиболее подробно. В целом книга представляет собой краткое введение в новый раздел современной астрофизики — экзопланетологию,
объединяющую представления о структуре, динамике и формировании
планетных систем у других звезд, а также о месте нашей Солнечной
системы среди множества других планетных систем.
Разнообразие архитектуры и физических особенностей экзопланетных систем значительно расширило наши представления о планетах, которые до недавнего времени основывались на телах Солнечной системы.
Между тем нам лучше всего известны природные свойства последних,

Предисловие

и в изучении экзопланет мы так или иначе прибегаем к сопоставлению
именно с этими телами. Отсюда следует, что, знакомясь с новым обширным классом планетных систем у других звезд, необходимо знать хотя
бы в общих чертах о природе планет Солнечной системы. Руководствуясь этими соображениями, авторы сочли целесообразным посвятить им
вступительную главу. Ее содержание носит обзорный характер и основано на материале глав 1–4 книги М. Я. Марова «Космос. От Солнечной
системы вглубь Вселенной» (3-е изд., М., ФИЗМАТЛИТ, 2021).
Безусловно, в одной книге невозможно подробно и исчерпывающе
охватить весь спектр современных экзопланетных исследований. По ряду тем, затронутых в книге, заинтересованный читатель может найти
более подробные материалы и библиографию в книге М. Перримана
«The exoplanet handbook» (2nd ed., Cambridge, Cambridge Univ. Press,
2018). По темам, относящимся к методам обнаружения экзопланет
и выявления экзопланетных биомаркеров, можно рекомендовать книгу
Н.А. Сахибуллина «Экзопланеты» (Казань, Издательство КФУ, 2020).
Результаты современных исследований атмосфер экзопланет представлены в книге Д. В. Бисикало, В. И. Шематовича, П. В. Кайгородова
и А. Г. Жилкина «Газовые оболочки экзопланет — горячих юпитеров»
(М., Наука, 2020).
Подробные обзоры исследований процессов формирования планет
и в целом космогонических процессов содержатся в сборнике «Современные проблемы механики и физики космоса» (под ред. В. С. Авдуевского и А. В. Колесниченко; М., ФИЗМАТЛИТ, 2003), в монографиях
В. А. Дорофеевой и А. Б. Макалкина «Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты» (М.–Ижевск, URSS,
2004), В. Н. Жаркова «Внутреннее строение Земли и планет» (М.,
Наука и образование, 2013), М. Я. Марова и А. В. Колесниченко «Turbulence and self-organization. Modeling astrophysical objects» (Springer,
2013), М. Я. Марова «The fundamentals of modern astrophysics. A survey of Cosmos from the home planet to space frontiers» (Springer,
2015) и «Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной» (М.,
ФИЗМАТЛИТ, 2021). По вопросам динамики экзопланетных систем
можно рекомендовать книги И. И. Шевченко «The Lidov–Kozai effect —
Applications in exoplanet research and dynamical astronomy» (Springer
Nature, 2017) и «Dynamical chaos in planetary systems» (Springer
Nature, 2020).
Работа авторов над настоящей монографией и ее издание поддержаны грантом 075-15-2020-780 (№ 13.1902.21.0039) «Теоретические
и экспериментальные исследования формирования и эволюции внесолнечных планетных систем и характеристик экзопланет» Министерства
науки и высшего образования Российской Федерации, за что авторы
выражают свою признательность.

М. Я. Маров, И. И. Шевченко
Москва–Санкт-Петербург, 2022 г.

Введение

Пути, которыми люди проникают в суть небесных
явлений, представляются столь же удивительными, как
и сами эти явления.
И. Кеплер, Гармония мира, 1619 г.

Теперь их просто захлестывал поток новых фактов:
куда бы они ни обернулись — к большим ли солнцам
Центавра или к Красному Карлику, — всюду сияли неисследованные планеты.
С. Лем, Магелланово Облако, 1955 г.

Издавна предполагалось, что многие звезды, подобно нашему Солнцу, могут иметь планеты. Однако до недавнего времени планеты
у других звезд наблюдать было невозможно, поскольку яркость планет
значительно уступает яркости их родительских звезд. Доступные наблюдательные методы и инструменты были недостаточно совершенны
для выявления столь слабых объектов. Открытие планет у других
звезд в начале 1990-х годов стало революционным событием в астрофизике, обеспеченным громадным развитием передовых технологий.
В отличие от звезд Галактики, которые во множестве наблюдались
и изучались на разных стадиях эволюции и для которых был накоплен огромный статистический материал, до недавнего времени имелся
только один пример планетной системы — Солнечной системы. Это
налагало серьезные ограничения на теории происхождения и эволюции
планетных систем. За последние десятилетия ситуация радикально
изменилась благодаря появлению мощных астрономических инструментов и специализированных космических аппаратов, обеспечивших
невиданный прогресс в исследованиях Вселенной, в том числе в понимании сложной проблемы совместного формирования планет и звезд
и их последующей эволюции. Это стало возможным благодаря сравнительному подходу на базе ставших доступными многочисленных
примеров.
По своим природным особенностям и разнообразию планеты представляют собой наиболее сложный класс астрофизических объектов,
испытавших эволюцию, в ходе которой происходили комплексные превращения исходного вещества газопылевого протопланетного диска.

Введение

Их изучение требует поэтому междисциплинарного подхода. Наряду
с физикой и астрофизикой, классической и небесной механикой, сюда
относятся также химия, геология, геохимия и космохимия, физика
атмосферы, климатология и аэрономия, биология и астробиология.
В отличие от звезд процессы на планетах происходят при относительно низких температурах и давлениях с участием практически всех
химических элементов периодической системы как продуктов нуклеосинтеза.
Согласно резолюции XXVI Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза (Прага, 2006 г.), планета определяется как
небесное тело, которое
— обращается вокруг центральной звезды (Солнца);
— масса (самогравитация) достаточна для преодоления твердотельных сил и приобретения гидростатически равновесной фигуры;
— расчищает окрестность своей орбиты.
В
отдельную
категорию
выделены
планеты-карлики,
которые
не расчищают окрестность своей орбиты (и при этом не являются
спутниками планет). К этому классу отнесены Церера, ряд тел в поясе
Койпера (включая Плутон). К малым телам относят спутники планет,
астероиды, кометы, метеороиды.
Естественно, что исторически планеты Солнечной системы у родительской звезды среднего спектрального класса G2 — Солнца — являются наиболее изученными, что, помимо наземных астрономических
наблюдений, обеспечили космические миссии.
За последнее время наиболее значимыми стали исследования с помощью космических аппаратов Луны, Марса, Меркурия, Юпитера, Сатурна, Плутона и пояса Койпера, а также кометы 67Р Чурюмова–
Герасименко. Луна привлекает растущее внимание после обнаружения в полярных областях отложений водяного льда и летучих. Приобретают зримые очертания планы мировых космических агентств
по началу освоения Луны. Предусмотрены новые амбициозные проекты полетов к планетам и малым телам Солнечной системы, призванные дать ответы на ключевые вопросы их природы и происхождения. Среди стоящих проблем все большее внимание уделяется вопросам космохимии, изучению эволюции вещества, слагающего небесные тела.
Что касается исследований экзопланет, то мы находимся только
в самом начале пути. Имеющиеся наблюдательные данные довольно
ограничены и/или отягощены значительными погрешностями и их интерпретация далеко не однозначна, а разрабатываемые модели основываются на многочисленных допущениях и нуждаются в более надежной верификации. Тем не менее в целом полученные к настоящему
времени наблюдательные данные дали чрезвычайно ценную информацию об удивительном многообразии планетных систем, их характеристиках и строении. Наука об экзопланетах — экзопланетология —
утвердилась как один из наиболее динамично развивающихся разделов

Введение
9

астрофизики; исследования экзопланет обогатили космохимию и астробиологию. Обнаружение и изучение пригодных для жизни экзопланет,
подобных Земле, — вызов для астрофизики и астробиологии будущих
десятилетий.
Предстоящие комплексные исследования экзопланетных систем призваны открыть новую страницу в этом увлекательном разделе современной астрофизики.

Г л а в а 1

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

1.1. Основные характеристики

Наша Солнечная система включает в себя 8 больших планет (4 планеты земной группы в пределах 0,4–1,5 а. е. и 4 планеты-гиганта юпитерианской группы в пределах 5–30 а. е. от Солнца), карликовые планеты, малые тела — спутники планет, астероиды, кометы, межпланетную
пыль (рис. 1.1). Земля расположена на расстоянии от Солнца 1 а. е.
(∼150 млн км), наиболее удаленная планета Нептун — на ∼30 а. е.
Системы спутников планет и колец есть у всех планет-гигантов; на сегодняшний день известно около двухсот спутников, включая крупные, соизмеримые по размерам с планетами земной группы, и мелкие
(∼5–10 км). Из планет земной группы спутники есть только у Земли
(Луна) и у Марса (Фобос и Деймос). Основные резервуары малых тел:

Рис. 1.1. Население Солнечной системы: 8 больших планет и малые тела
в главном поясе астероидов, поясе Койпера и облаке Оорта. Показано соотношение масштабов орбит планет и малых тел. Пояс Койпера расположен в зоне
транснептуновых объектов (30–100 а. е.) глубоко внутри облака Оорта, радиус
которого ∼105 а. е. Кредит: Wikimedia