Почему Юпитер не стал второй звездой⁠⁠

Юпитер часто называют почти-звездой, и звучит это убедительно. Он состоит в основном из водорода и гелия, ровно как Солнце, он тяжелее всех остальных планет системы вместе взятых, и от него в буквальном смысле идёт собственное тепло. Отсюда один шаг до мысли, что ему не хватило самой малости.

Малость на поверку оказывается разрывом в семьдесят пять раз. Одинаковый состав ещё не означает одинаковую судьбу, потому что планету от звезды отличает не химия, а масса.

Что делает звезду звездой

Звезда светит не потому, что внутри неё что-то горит в привычном смысле слова. Горение — это химическая реакция, и на солнечных запасах топлива она выдохлась бы за считаные тысячи лет. Источник звёздной энергии лежит глубже, на уровне атомных ядер.

Собственная тяжесть звезды сжимает вещество к центру, и чем сильнее сжатие, тем выше давление и температура в недрах. Когда температура доходит до нескольких миллионов градусов, ядра водорода начинают преодолевать взаимное отталкивание и сливаться, образуя гелий. Каждое слияние отдаёт крохотную порцию энергии, но происходят они непрерывно и в количествах, которые трудно вообразить, и в сумме набирается тот поток света и тепла, который звезда излучает миллиарды лет. Выделяющаяся энергия не даёт звезде схлопнуться: разогретый ею газ давит изнутри и уравновешивает гравитацию, тянущую всё к центру.

Солнце и Юпитер росли по-разному

Родились они в одном газопылевом облаке, но разными путями. Основная часть облака сжалась под собственной тяжестью в единый центральный сгусток, и этот сгусток стал Солнцем. Юпитер собирался так, как собираются планеты: сначала из пыли и льда слепилось плотное ядро, а когда оно набрало достаточно массы, его гравитация начала стремительно стягивать окружающий газ.

В Юпитере примерно в два с половиной раза больше вещества, чем во всех остальных планетах Солнечной системы, вместе взятых. Но газ вблизи его орбиты закончился гораздо раньше, чем растущая планета приблизилась к звёздному порогу.

Сколько массы нужно, чтобы загореться

Масса Юпитера превышает земную примерно в 318 раз. Рядом с Солнцем этот перевес выглядит скромно: на светило приходится примерно в тысячу раз больше вещества. Чтобы в недрах загорелся синтез обычного водорода, объект должен быть тяжелее Юпитера в 75–80 раз — только под такой тяжестью вещество сжимается достаточно, чтобы разогреться до нескольких миллионов градусов.

На этой границе и держатся самые лёгкие из звёзд — красные карлики. Они в разы меньше и холоднее Солнца, светят тускло и в красной части спектра, зато живут поразительно долго и составляют большинство звёзд Галактики. Даже самая скромная из них тяжелее Юпитера в десятки раз.

Между планетой и звездой

Такой класс объектов существует, но и до него Юпитер не дотягивает. Промежуточную ступень между планетами и звёздами занимают коричневые карлики. Начиная примерно с тринадцати масс Юпитера в недрах становится достаточно горячо для синтеза дейтерия — тяжёлого изотопа водорода, ядро которого несёт не только протон, но и нейтрон. Такое ядро вступает в реакцию при заметно меньшей температуре, чем обычный водород, поэтому порог для дейтерия лежит намного ниже. Но и он для Юпитера недосягаем: планета легче этой границы в тринадцать раз.

Правда, дейтерия в природе мало, и запаса хватает на первые миллионы лет. Потом карлику становится нечем поддерживать свечение, и он медленно остывает, тускнея всю оставшуюся жизнь.

И всё-таки Юпитер светится

Собственное тепло у Юпитера действительно есть, и его довольно много: планета излучает в пространство почти вдвое больше энергии, чем получает от Солнца.

Впервые этот баланс измерил аппарат «Вояджер-1» во время пролёта мимо планеты: отношение излучённого к поглощённому вышло около 1,67. Позже наблюдения «Кассини» пересчитали заново, точнее учтя, сколько солнечного света Юпитер на самом деле поглощает, и отношение поднялось примерно до 2,13. Оценки расходятся, но обе говорят одно: планета отдаёт заметно больше, чем получает.

Источник этого тепла не термоядерный. Юпитер очень медленно продолжает сжиматься под собственной тяжестью, и высвобождающаяся при этом гравитационная энергия переходит в тепло. По сути планета до сих пор остывает после рождения, отдавая запас, накопленный четыре с половиной миллиарда лет назад. Излучает она в инфракрасном диапазоне, глазу недоступном, и к звёздной природе это отношения не имеет.

Брать вещество неоткуда

Массу Юпитеру брать неоткуда, и дело не в количестве вещества, а во времени. Юпитер собирал газ из протопланетного диска — того самого облака, что осталось вокруг молодого Солнца после его рождения. Но диск жил недолго: часть вещества втянуло в себя само светило, остальное разогнали его излучение и солнечный ветер. По современным оценкам, на это ушло несколько миллионов лет, что по меркам системы возрастом в четыре с половиной миллиарда лет почти мгновение.

Юпитер успел стать самой массивной планетой системы именно потому, что начал расти рано и стягивал газ быстрее всех. Но и ему не хватило времени: когда диск рассеялся, планета осталась с тем, что успела набрать. Строительная площадка закрылась.

Возможно только в романе

Идею уже отыгрывала фантастика: у Артура Кларка в «2010: Одиссея-2» Юпитер тоже становится звездой. Но происходит это не само собой — планету поджигают намеренно, потому что естественным путём такое невозможно.

Что в итоге

Юпитер не звезда, которой не повезло. Он с самого начала формировался как планета, набрал столько вещества, сколько позволило окружение его орбиты, и остановился далеко от нижней границы даже коричневых карликов, не говоря уже о звёздах. Зато в своей весовой категории равных ему нет: он заметно влияет на движение комет и астероидов и во многом определяет устройство всей системы. Самой массивной планетой он останется в любом случае.

А если пофантазировать — представьте, что массы всё-таки хватило и рядом с Солнцем загорелась вторая звезда. Что стало бы с Землёй? В двойных системах орбиты устроены совсем иначе, и вопрос, нашлось бы у планеты место для устойчивого климата, имеет куда менее очевидный ответ, чем кажется на первый взгляд. Интересно, что вы думаете.

Источники

NASA Science, страница Юпитера — масса, состав, параметры
Миссия «Юнона» (Juno), NASA / JPL-Caltech / SwRI — снимки и данные о внутреннем строении
Hanel et al., 1981, Journal of Geophysical Research — энергобаланс Юпитера по «Вояджеру-1» (≈1,67)
Li et al., 2018, Nature Communications — уточнённый баланс по «Кассини» (≈2,13)
Spiegel, Burrows, Milsom, 2011, The Astrophysical Journal — нижняя граница синтеза дейтерия
Chabrier, Baraffe — обзор по маломассивным и субзвёздным объектам, предел водородного синтеза
ESO / NAOJ / NRAO, ALMA — снимок протопланетного диска HL Тельца
Снимок Юпитера — обработка Kevin M. Gill (CC BY) по данным NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS