Почему Юпитер не стал звездой?

Самая маленькая из известных звезд главной последовательности в галактике Млечный Путь - настоящая красавица.

Она называется EBLM J0555-57Ab, это красный карлик, удаленный от нас на 600 световых лет. Со средним радиусом около 59 000 километров он лишь немногим больше Сатурна. Это делает ее самой маленькой из известных звезд, поддерживающей в своем ядре водородный синтез - процесс, который поддерживает горение звезд, пока у них не закончится топливо.

В нашей Солнечной системе есть два объекта крупнее этой маленькой звезды. Один из них - это Солнце. Другой - Юпитер, похожий на гигантский шарик мороженого, со средним радиусом 69 911 километров.

Почему же Юпитер - планета, а не звезда?

Короткий ответ прост: Юпитер не обладает достаточной массой, чтобы переплавить водород в гелий. Масса EBLM J0555-57Ab примерно в 85 раз больше массы Юпитера, что примерно соответствует массе звезды - если бы она была меньше, то не смогла бы перерабатывать водород. Но если бы наша Солнечная система была другой, смог бы Юпитер разгореться в звезду?

Юпитер и Солнце похожи больше, чем вы думаете
Газовый гигант может и не быть звездой, но Юпитер - это все равно большая величина. Его масса в 2,5 раза больше массы всех остальных планет вместе взятых. Просто, будучи газовым гигантом, он имеет очень низкую плотность: около 1,33 грамма на кубический сантиметр; плотность Земли, составляющая 5,51 грамма на кубический сантиметр, 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 составу. По массе Солнце примерно на 71 процент состоит из водорода и на 27 процентов из гелия, а остальное приходится на следовые количества других элементов. Юпитер по массе составляет около 73 процентов водорода и 24 процента гелия.

Именно по этой причине Юпитер иногда называют несостоявшейся звездой.

Но все же маловероятно, что, если оставить Солнечную систему на произвол судьбы, Юпитер даже близко не станет звездой. 

Звезды и планеты рождаются по двум совершенно разным механизмам. Звезды рождаются, когда плотный узел материала в межзвездном молекулярном облаке разрушается под действием собственной гравитации - пуф! фломф! - вращаясь при этом в процессе, называемом коллапсом облака. Вращаясь, он втягивает все больше материала из окружающего облака в звездный аккреционный диск.

По мере роста массы - и, следовательно, силы тяжести - ядро детской звезды сжимается все сильнее и сильнее, что заставляет ее становиться все горячее и горячее. В конце концов, оно становится настолько сжатым и горячим, что ядро воспламеняется и начинается термоядерный синтез.

Согласно нашему пониманию звездообразования, после того, как звезда заканчивает аккрецию материала, остается целая куча аккреционного диска. Именно из него и состоят планеты.

Астрономы считают, что для газовых гигантов, таких как Юпитер, этот процесс (называемый аккрецией камешков) начинается с крошечных кусочков ледяной породы и пыли в диске. По мере обращения вокруг звезды-малютки эти кусочки материала начинают сталкиваться, слипаясь друг с другом благодаря статическому электричеству. В конце концов, эти растущие сгустки достигают достаточно больших размеров - около 10 масс Земли, - чтобы 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. После того как он поглотил весь доступный ему материал - при этом масса, необходимая для водородного синтеза, была довольно далека от массы, - его рост прекратился.

Таким образом, Юпитер никогда даже близко не был достаточно массивным, чтобы стать звездой. Юпитер имеет сходный с Солнцем состав не потому, что он был "неудавшейся звездой", а потому, что он родился из того же облака молекулярного газа, которое породило Солнце.

Есть и другой класс объектов, которые можно считать "несостоявшимися звездами". Это коричневые карлики, которые заполняют промежуток между газовыми гигантами и звездами.

Эти объекты, масса которых примерно в 13 раз превышает массу Юпитера, достаточно массивны, чтобы поддерживать синтез ядра - не обычного водорода, а дейтерия. Он также известен как "тяжелый" водород; это изотоп водорода с протоном и нейтроном в ядре вместо одного протона. Температура и давление его синтеза ниже, чем температура и давление синтеза водорода.

Поскольку синтез дейтерия происходит при меньшей массе, температуре и давлении, он является промежуточным этапом на пути к синтезу водорода для звезд, поскольку они продолжают наращивать массу. Но некоторые объекты так и не достигают этой массы; они известны как коричневые карлики.

Некоторое время после подтверждения их существования в 1995 году было неизвестно, являются ли коричневые карлики недостигнутыми звездами или чрезмерно амбициозными планетами; но несколько исследований показали, что они формируются так же, как и звезды, в результате распада облаков, а не аккреции ядра. А некоторые коричневые карлики даже ниже массы, необходимой для сжигания дейтерия, неотличимы от планет.

Юпитер находится прямо на нижнем пределе массы для облачного коллапса; наименьшая масса объекта облачного коллапса оценивается примерно в одну массу Юпитера. Таким образом, если бы Юпитер образовался в результате облачного коллапса, его можно было бы считать несостоявшейся звездой.

Однако данные, полученные с зонда НАСА "Юнона", свидетельствуют о том, что когда-то давно у Юпитера было твердое ядро, а это больше соответствует методу формирования ядра путем аккреции.

Моделирование показывает, что верхний предел массы планеты, формирующейся путем аккреции ядра, составляет менее 10 раз больше массы Юпитера - всего несколько масс Юпитера, не дотягивающих до слияния дейтерия.

Итак, Юпитер не является несостоявшейся звездой. Но размышления о том, почему он ею не является, могут помочь нам лучше понять, как устроен космос. Кроме того, Юпитер - это полосатое, бурное, вихрящееся ирисовое чудо само по себе. И без него мы, люди, возможно, даже не смогли бы существовать.