Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Эта логика работает, пока мы не миновали Землю. По идее, Марс должен быть сильно увеличенной версией нашей родной планеты, но на деле его масса в десять раз меньше. Даже если допустить, что при приближении к снеговой линии плотность протопланетного диска постепенно снижается, масса Марса должна составлять от половины до полной массы Земли. Более того, пояс астероидов также должен быть массивнее. Он должен быть наполнен зародышами планет размером с Марс. Однако самый крупный объект в нем — это Церера, которая приблизительно в 100 раз легче Марса.

Чтобы разрешить этот парадокс, достаточно предположить, что за пределами нынешней орбиты Земли концентрация планетезималей была значительно ниже. В отсутствие планетообразующего вещества Марсу и поясу астероидов пришлось довольствоваться их скромными размерами. Но что должно было произойти, чтобы запасы каменистых тел в окрестностях Марса так истощились?

Когда нужно отыскать недостающую массу, подозрение сразу падает на самую крупную и массивную планету в Солнечной системе — Юпитер. Мог ли Юпитер за свою бурную историю сначала отправиться во внутреннюю область Солнечной системы, собирая или рассеивая планетезимали, а затем мигрировать назад, туда, где он находится сейчас?

Эта идея получила воплощение в модели смены галса. Своим названием она обязана маневру, выполняемому парусником, чтобы изменить направление его движения на противоположное. Отправная точка этой модели — формирование Юпитера в протопланетном диске. С увеличением гравитации Юпитера, растущего и все сильнее притягивающего окружающий газ, начинается миграция молодой планеты к Солнцу. Изменение орбиты позволяет растущей планете быстро собирать большое количество планетезималей. Наконец ее масса достигает значения, при котором возникает разрыв в газе. Скорость перемещения Юпитера снижается. Начинается миграция второго рода. Но при этом орбита планеты продолжает сужаться. Часть встречающихся ему на пути планетезималей Юпитер увлекает за собой, заставляя их двигаться по спирали вниз. Другую часть он рассеивает в обратном направлении. В конце подобного сценария планета могла бы стать горячим юпитером. Но тут появляется Сатурн.

Находясь ближе к внешнему краю протопланетного диска, Сатурн формировался медленнее старшего брата. Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы, при этом его масса не превышает трети массы Юпитера. Из-за меньшего веса разрыв в газе вокруг Сатурна был неполным, поэтому скорость миграции была высокой, и Сатурн быстро догнал движущийся по спирали вниз Юпитер.

С сокращением расстояния между планетами уменьшалась и разница между периодами их обращения. В итоге Сатурн занял орбиту, на которой он совершает ровно два оборота вокруг Солнца за то же самое время, за которое Юпитер совершает три оборота. Это соотношение называют орбитальным резонансом. В данном случае он составил 2:3 и разорвать его очень трудно.

Чтобы понять, что делает резонанс настолько стабильным, давайте возьмем в качестве примера две планеты с орбитальным резонансом 1:2. Эти две планеты — Сатурн и Юпитер: первый успевает облететь Солнце дважды, пока второй совершает один полный оборот. При движении по первой половине орбиты Сатурн находится позади Юпитера, и гравитация более крупной планеты тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн оказывается впереди Юпитера, и тот его тянет назад. Таким образом, силы уравновешивают друг друга, и планеты продолжают лететь вокруг Солнца по своим орбитам. Но стоит двум планетам чуть приблизиться друг к другу, как баланс тут же нарушается. Тогда на Сатурн начинает действовать сила, которая тянет его наружу, заставляя планету ускоряться. В итоге Сатурн снова возвращается на резонансную орбиту. Между планетами с другими орбитальными резонансами (например, 2:3 или 1:4) поддерживается точно такой же баланс.

В силу своей стабильности резонансные орбиты не редкость в планетных системах. Например, пока Плутон совершает один оборот вокруг Солнца, Нептун облетает звезду три раза. Спутники Ганимед, Европа и Ио обращаются вокруг Юпитера в резонансе 1:2:4.

Когда Юпитер и Сатурн достигают резонанса 2:3, в результате сближения разрыв вокруг Юпитера и частичный разрыв вокруг Сатурна пересекаются. Юпитер перестает подвергаться воздействию газа с внешней стороны орбиты, и его продолжает тянуть только газ внутри орбиты, который движется с большей скоростью. Что касается Сатурна, он вынужден преодолевать сопротивление газа с внешней стороны орбиты. В результате Сатурн стремится мигрировать по спирали вниз, а Юпитер — вверх. Учитывая, что они движутся по резонансным орбитам, при попытке проследовать мимо друг друга планеты отталкиваются. В этом противостоянии побеждает сильнейший, то есть Юпитер с его более мощной гравитацией. Обе планеты мигрируют к краю Солнечной системы, поглощая на своем пути планетезимали в диске как раз там, где позже будет формироваться Марс.

По возвращении во внешнюю часть Солнечной системы пара планет рассеивает планетезимали, занявшие их прежние места. Выталкиваемые ими каменистые небесные тела покрыты толстым слоем льда, так как их формирование проходило в этой области, за снеговой линией. Они разлетаются во всех направлениях. При этом некоторая их часть заканчивает свой путь в поясе астероидов, превращаясь в богатые водой астероиды класса C. Другие следуют дальше и, возможно, сталкиваются с только что сформировавшейся Землей, обеспечивая водой ее океаны.

Маневр Юпитера и Сатурна также остановил смещение Урана и Нептуна по направлению к Солнцу. После формирования и начала миграции газовые гиганты меньшего размера также рискуют оказаться в ловушке резонансных орбит. Из-за этого планетам очень трудно проскальзывать мимо своих более крупных собратьев и продолжать движение к Солнцу.

Модель смены галса была предложена астрономами Кевином Уолшем и Алессандро Морбиделли в 2011 в г. в статье в журнале Nature. Убедившись в том, что модель смены галса успешно отображает и маленький размер Марса, и астероиды, Морбиделли зашел в кабинет Уолша и признался, что накануне вечером он погрозил пальцем планете-гиганту и сказал: «Юпитер! Я знаю, что ты натворил!»

Когда Юпитер и Сатурн приблизились к своим нынешним орбитам, протопланетный диск рассеялся. Наконец наступил момент, когда сопротивление газа движению планет прекратилось. Но картина образования Солнечной системы не будет полной без еще одной рокировки.

Мы до сих пор не уверены в том, что именно спровоцировало этот беспорядок. Существует две основные гипотезы: модель Ниццы (само название отсылает к голливудским блокбастерам) и модель Ниццы II. Согласно обоим сценариям, причиной хаоса стали отходы фабрики планет.

Сразу за газовыми гигантами начинается море сохранившихся планетезималей. Эти остатки проследовали по краям планетных орбит, сумев избежать как поглощения, так и изгнания из Солнечной системы. В модели Ниццы с исчезновением сопротивления газа притяжение, создаваемое гравитацией планет-гигантов, считается доминирующей силой, вызвавшей проникновение каменистых небесных тел внутрь их орбит.