Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Первый из этих механизмов связан с влиянием газа на формирующуюся планету. Сегодня нам известно, что приливное взаимодействие планеты с окружающим ее газом может как тянуть ее внутрь диска, так и толкать наружу. Различают миграции I и II типов[45]. Миграции I типа подвержены относительно маломассивные планеты (от нескольких масс Земли до нескольких масс Нептуна). Находясь в диске, планета не меняет структуру протопланетного диска, но становится центром, на который аккрецирует газ из ближайших регионов диска. Аккрецирующий газ формирует две волны плотности: одна закручена из внешних областей диска, а другая из внутренних. Эти волны начинают воздействовать на планету приливными силами. Дисбаланс между приливными силами от этих двух волн заставляет планету или терять свой момент импульса и перемещаться внутрь системы, к своей родительской звезде, или же, наоборот, приобретать дополнительный момент импульса и перемещаться наружу.

Другой тип миграции, за который тоже отвечает газ, – миграция II типа – реализуется в случае с более массивными планетами (с массами, близкими к массе Юпитера). Поэтому чаще всего, если система включает только одну планету-гиганта, это происходит на более поздних этапах, чем миграция I типа. При этом присутствие планеты существенно меняет структуру диска: обмен моментом импульса между диском и газом через спиральные волны плотности буквально расталкивает газ от планеты в разные стороны и формирует с обеих сторон от орбиты планеты кольцевой зазор. Планета оказывается заблокирована в кольцевом зазоре – как бы заморожена в нем, и ее миграция теперь связана с эволюцией протопланетного диска. В ближайших к звезде областях протопланетного диска, там, где потоки газа направлены к звезде, планета по спирали двигается внутрь системы, во внешних же областях, если диск расширяется, планета может мигрировать наружу. Это медленное, постепенное изменение орбиты, тогда как миграция I типа происходит довольно быстро. Считается, что по мере роста массы планеты миграция I типа может перейти в миграцию II типа.

Второй механизм орбитальной миграции вызван гравитационным взаимодействием планеты с планетезималями. Каждая из планетезималей, пролетая мимо планеты, передает ей часть своего импульса – планета получает своего рода микроскопический гравитационный «толчок». Когда масса всех планетезималей, находящихся в окрестности планеты, близка к массе самой планеты, такие «толчки», постоянно происходящие на протяжении десятков и сотен миллионов лет, способны до неузнаваемости изменить орбиту планеты[46].

А за третий механизм миграции ответственно приливное взаимодействие планет друг с другом. Наиболее сильное воздействие оказывают друг на друга близкие планеты. Как и в предыдущем случае, они тоже обмениваются между собой энергией, но их гравитационные «толчки» носят регулярный характер, а не хаотичный. Такая регулярность возникает, когда периоды обращения планет относятся друг к другу как целые числа. Резонансы могут как полностью дестабилизировать орбиты планет, так и позволить орбитальной конфигурации стать очень стабильной. В первом случае это приводит к взаимному отталкиванию планет: одна планета смещается ближе к родительской звезде, а другая – дальше от нее. Во втором случае движение планет может быть настолько устойчивым, что планеты, однажды попавшие в резонанс, будут находиться в нем неограниченно долго и даже мигрировать вместе в одном направлении.

Теперь давайте посмотрим, какую роль все эти механизмы сыграли при формировании Солнечной системы и как запустили процесс ее окончательной перестройки. Планеты-гиганты формируются быстрее, чем каменистые планеты. Через 3–5 миллионов лет после образования Солнечной системы масса молодого Юпитерa достигла того значения, при котором газ протопланетного диска заставил планету мигрировать внутрь Солнечной системы. Движение Юпитера, скорее всего, было обусловлено миграцией II типа, но вполне могло быть и так, что все начиналось с миграции I типа, а впоследствии ее сменила миграция II типа – конкретика здесь уже не так важна. Путешествие Юпитера и последствия, к которым это путешествие привело, описываются моделью смены галса (Grand tack)63. Первоначальное положение молодого Юпитера точно не установлено, но предполагается, что он сформировался недалеко от того места, где находится сейчас, около снеговой линии, в 3,5 а. е. от Солнца. За ним в это время аккумулировали газ и росли Сатурн, Уран и Нептун. Этот рост происходил гораздо медленнее, чем рост Юпитера, так как протопланетный диск по мере удаления от Солнца расширялся в продольном направлении, а концентрация газа в нем уменьшалась, и поэтому более далекие планеты получали меньше вещества для своего формирования.

Миграции Юпитера ничего не препятствовало – он мог бы продолжать двигаться к Солнцу до тех пор, пока оно не поглотило бы его, но что-то, как мы знаем сегодня, остановило его движение. Здесь в игру вступил Сатурн, который за это время уже успел нарастить массу и приблизиться к своим современным размерам. Он отправился вслед за Юпитером, и в этом случае мы имеем дело, скорее всего, с миграцией I типа. Хоть свое путешествие Сатурн начал позже, он, двигаясь быстрее Юпитера, успел нагнать старшего брата до того, как тот упал на Солнце (Юпитер к этому времени уже стал таким массивным, каким мы знаем его сегодня). Встреча двух планет-гигантов произошла через 100 000 лет после начала миграции Юпитера на расстоянии около 1,5 а. е. от Солнца – там, где сегодня лежит орбита Марса.

Хотя это значение в 1,5 а. е. весьма условное, оно позволило найти правильные значения радиусов орбит и масс Земли и Марса – планет, которым еще только суждено было родиться из пепла происходивших разрушений. Юпитер, словно гигантская метла, увлек за собой бо́льшую часть твердого вещества между 2 и 5 а. е., очистив это пространство от крупных планетезималей и переместив их во внутренние части Солнечной системы на расстояние от 0,3 до 1,0 а. е.

Модель смены галса помогла найти элегантное решение двух серьезных проблем: с одной стороны, стало понятно, почему Марс получился таким крохотным, – всему виной недостаток твердого вещества на его орбите, а с другой – объяснилось большое количество воды и других летучих соединений на Земле и Венере – они родом из внешних областей диска. Считается также, что планетезимали, которые «притащил» за собой Юпитер, уничтожили и выбросили из внутренних частей Солнечной системы каменистые планеты, которые безмятежно «росли» там все это время. Не будь этой миграции, Земля, возможно, была бы в несколько раз массивнее.

Итак, Сатурн нагнал Юпитер на расстоянии 1,5 а. е. от Солнца и остановился – движение вперед с той же скоростью было уже невозможно. Вращаясь вокруг Солнца и обмениваясь гравитационными «толчками», две планеты-гиганта вошли в орбитальный резонанс 2:3. Благодаря этому, как показывают результаты компьютерного моделирования, могло произойти настоящее чудо: пространство между Юпитером и Сатурном очистилось от газа и баланс приливных сил, вызванных волнами плотности газа, аккрецирующего на планеты, разрушился. Вместо того чтобы забрать момент импульса из системы сцепленных в орбитальном резонансе Юпитера и Сатурна, приливные силы начали передавать его системе – планеты перестали падать на Солнце и приступили к медленному движению в обратную сторону, во внешние части протопланетного диска. Нам невероятно повезло: именно масса Сатурна во многом определила этот этап миграции. Не обладай Сатурн достаточной массой, он бы просто не догнал Юпитер и тот сгорел бы на Солнце; будь же Сатурн массивнее, чем он есть сейчас, он бы мигрировал слишком быстро и не смог войти в резонанс с Юпитером – и они упали бы на Солнце вместе. Но масса Сатурна оказалась, что называется, в самый раз, и миграция Юпитера и Сатурна продолжалась до тех пор, пока газ протопланетного диска не рассеялся – еще около 500 000 лет.