Юпитер - звезда-неудачник
Почему самая большая планета Солнечной системы не стала звездой?
Самая маленькая из известных звезд главной последовательности в галактике Млечный Путь - настоящий карлик. Она называется EBLM J0555-57Ab, красный карлик на расстоянии 600 световых лет от нас. Имея средний радиус около 59 000 километров, она просто немного больше, чем Сатурн . Это делает ее самой крошечной звездой, которая поддерживает синтез водорода в своем ядре - процесс, который поддерживает горение звезд до тех пор, пока у них не закончится топливо.
В нашей Солнечной системе есть два объекта больше этой крошечной звезды. Очевидно, одно из них - Солнце. Другой - Юпитер, похожий на гигантский шарик мороженого, средний радиус которого составляет 69 911 километров.
Так почему Юпитер - это планета, а не звезда?
Короткий ответ прост: Юпитер не обладает достаточной массой, чтобы превратить водород в гелий. EBLM J0555-57Ab примерно в 85 раз больше массы Юпитера. Если бы у этой звезды масса была ниже, она не могла бы плавить водород. Но если бы наша Солнечная система была другой, мог бы Юпитер превратиться в звезду?
Газовый гигант может и не быть звездой, но Юпитер по-прежнему важен. Его масса в 2,5 раза больше массы всех остальных планет, вместе взятых. Просто, будучи газовым гигантом, он имеет действительно низкую плотность: около 1,33 грамма на кубический сантиметр. Плотность Земли составляет 5,51 грамма на кубический сантиметр, что чуть более чем в четыре раза выше, чем у Юпитера.
Но интересно отметить сходство между Юпитером и Солнцем. Плотность Солнца составляет 1,41 грамма на кубический сантиметр. И эти два объекта очень похожи по композиции. По массе Солнце примерно на 71% состоит из водорода и на 27% из гелия, а остальная часть состоит из следовых количеств других элементов. Юпитер по массе состоит примерно из 73 процентов водорода и 24 процентов гелия. По этой причине Юпитер иногда называют несостоявшейся звездой.
Но все же маловероятно, что Юпитер даже приблизится к тому, чтобы стать звездой.
Понимаете, звезды и планеты рождаются посредством двух очень разных механизмов. Звезды рождаются, когда плотный узел вещества в межзвездном молекулярном облаке схлопывается под действием собственной силы тяжести во время процесса, называемого схлопыванием облаков. Во время вращения он накатывает больше материала из облака вокруг себя в звездный аккреционный диск.
По мере того как масса - и, следовательно, сила тяжести - растет, ядро молодой звезды сжимается все сильнее и сильнее, что заставляет его становиться все горячее и горячее. В конце концов, он становится настолько сжатым и горячим, что ядро воспламеняется, и начинается термоядерный синтез.
Согласно нашему пониманию звездообразования, когда звезда заканчивает аккрецию материала, остается много аккреционного диска. Это то, из чего сделаны планеты.
Астрономы думают, что у газовых гигантов, таких как Юпитер, этот процесс начинается с крошечных кусочков ледяной породы и пыли в диске. Когда они вращаются вокруг молодой звезды, эти кусочки материала начинают сталкиваться, слипаясь статическим электричеством. В конце концов, эти растущие сгустки достигают достаточно большого размера - около 10 масс Земли, - чтобы они могли гравитационно притягивать все больше и больше газа из окружающего диска.
С этого момента Юпитер постепенно вырос до своей нынешней массы - примерно в 318 раз больше массы Земли и в 0,001 раза больше массы Солнца. Как только он поглотил весь доступный ему материал - в значительной степени от массы, необходимой для синтеза водорода, - он перестал расти.
Итак, Юпитер никогда не был даже близко к тому, чтобы стать достаточно массивным, чтобы стать звездой. Юпитер по своему составу похож на Солнце не потому, что он был "неудавшейся звездой", а потому, что он родился из того же облака молекулярного газа, которое дало жизнь Солнцу.
Есть другой класс объектов, которые можно считать "несостоявшимися звездами". Это коричневые карлики, и они заполняют промежуток между газовыми гигантами и звездами.
Начиная примерно в 13 раз больше массы Юпитера, эти объекты достаточно массивны, чтобы поддерживать ядерный синтез - не обычного водорода, а дейтерия. Он также известен как "тяжелый" водород; это изотоп водорода с протоном и нейтроном в ядре вместо одного протона. Его температура и давление плавления ниже, чем температура и давление плавления водорода.
Поскольку это происходит при более низкой массе, температуре и давлении, синтез дейтерия является промежуточным этапом на пути к синтезу водорода для звезд, поскольку они продолжают наращивать массу. Но некоторые объекты никогда не достигают этой массы: они известны как коричневые карлики.
Некоторое время после того, как их существование было подтверждено в 1995 году, было неизвестно, являются ли коричневые карлики несостоявшимися звездами или чрезмерно амбициозными планетами; но несколько исследований показали, что они образуются точно так же, как звезды, в результате коллапса облаков, а не аккреции ядра. А некоторые коричневые карлики даже ниже массы для сжигания дейтерия, неотличимые от планет.
Юпитер находится прямо на нижней границе массы для схлопывания облака; наименьшая масса объекта коллапса облака была оценена примерно в одну массу Юпитера. Так что, если бы Юпитер образовался в результате схлопывания облака, его можно было бы считать несостоявшейся звездой.
Но данные зонда NASA Juno предполагают, что, по крайней мере, когда-то у Юпитера было твердое ядро - и это больше соответствует методу образования аккреции ядра .
Моделирование предполагает, что верхний предел массы планеты, образующейся в результате аккреции ядра, менее чем в 10 раз превышает массу Юпитера - всего лишь несколько масс Юпитера, не дающих синтеза дейтерия.
Итак, Юпитер - не звезда-неудачник. Но размышление о том, почему это не так, может помочь нам лучше понять, как устроен космос. Кроме того, Юпитер - полосатое, бурное, закрученное чудо само по себе. А без этого мы, люди, возможно, даже не смогли бы существовать.
