Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Главный пояс астероидов расположен в кольцевой зоне на расстоянии 2,1–3,3 а. е. от Солнца. Считается, что он сформировался уже после того, как завершилась миграция Юпитера. Но между тем на него повлияли те катастрофические события. В первую очередь это очень вытянутые и экстремально наклоненные орбиты некоторых астероидов – их трудно объяснить без возмущающего действия Юпитера, что дважды пересекал эту область пространства. Важным следствием миграции Юпитера является и смешивание малых тел Солнечной системы, образовавшихся в разных частях протопланетного диска – именно это мы наблюдаем в Главном поясе астероидов, который включает в себя разные по составу (а следовательно, и по месту происхождения) тела. Есть еще ряд особенностей пояса астероида, которые предсказываются моделью смены галса. Движение Юпитера сначала к Солнцу, а потом от него может служить объяснением не только загадочных характеристик внутренних планет Солнечной системы, но и хаотичного движения объектов в Главном поясе астероидов, структуры пояса Койпера и многого другого.

В Главном поясе астероидов, согласно стандартным представлениям о формировании планет, с течением времени количество каменных обломков должно убывать в силу того, что малые тела захватываются планетами или выбрасываются прочь из Солнечной системы. Поэтому ожидалось, что число ударных кратеров на поверхности планет будет тем меньше, чем моложе эти планеты. Однако согласно геологическим исследованиям, спустя около миллиарда лет после формирования Солнечной системы произошло нечто катастрофическое: на Меркурии, Луне и Марсе хорошо видны следы многократного увеличения количества столкновений с астероидами в период с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад. Это явление назвали поздней тяжелой бомбардировкой, чтобы отличать от бомбардировки астероидами на ранних этапах формирования планет. Логично предположить, что Земля тоже подверглась поздней бомбардировке, а за то, что мы не видим ее следы, ответственна эрозия.

Объяснения тяжелой бомбардировки, которое устраивало бы всех, до сих пор нет. Однако теперь к имевшимся гипотезам добавилась еще одна – модель Ниццы64. В рамках этой модели скачок числа бомбардировавших планеты астероидов находит свое объяснение. Модель Ниццы начинается с того момента, где заканчивается модель смены галса. Итак, двигаясь в орбитальном резонансе по направлению от Солнца, Юпитер и Сатурн со временем добрались до Урана и Нептуна (которые находились на более близких орбитах, чем сегодня). Гравитационное взаимодействие Юпитера и Сатурна захватило эти планеты, так что образовалась резонансная группа из четырех гигантских планет, которые начали вместе двигаться за пределы Солнечной системы. Это движение прекратилось, только когда протопланетный диск полностью рассеялся. Тем не менее возникшая конфигурация планет в долгосрочной перспективе оказалась неустойчивой. Влияние планетезималей с окраин Солнечной системы в течение сотен миллионов лет понемногу меняло движение планет-гигантов. Это происходило до тех пор, пока однажды одна из планет не вышла из орбитального резонанса, «растолкав» в разные стороны Юпитер и Сатурн и спровоцировав волну хаотичных возмущений по всей Солнечной системе. Предполагается, что Нептун и Уран меняли свои орбиты несколько раз, пока не пришли к тем, которые мы наблюдаем сегодня.

О деталях этих процессов рассуждать сложно – сегодня рассматривается несколько возможных сценариев, и все они основываются на численном моделировании. Но в некоторых наиболее достоверных моделях дестабилизация диска приводит к тому, что малые тела Солнечной системы, будь то тела из пояса астероидов или пояса Койпера, сходят с устойчивых орбит и устремляются как внутрь системы, так и вовне ее, провоцируя позднюю тяжелую бомбардировку.

Помимо строения Солнечной системы, миграция планет позволяет объяснить феномен горячих юпитеров. Миграция газового гиганта к своей родительской звезде может не заканчиваться его уничтожением даже при отсутствии второго газового гиганта. На самом деле существует другой механизм, который приводит к остановке планеты, движущейся к своей звезде, – блокировка приливными силами, или спин-орбитальный резонанс. Он происходит, когда период вращения планеты вокруг своей оси совпадает с периодом ее обращения вокруг звезды. На практике это означает, что планета всегда обращена к звезде одной и той же стороной. Синхронизация орбитального и собственного вращения является энергетически выгодной для планеты, и поэтому при спин-орбитальном резонансе ее орбита устойчива к малым возмущениям. Для того чтобы сойти с нее, планете нужна дополнительная энергия. Приливная блокировка широко распространена в Солнечной системе. Самым наглядным ее примером служит вращение Луны вокруг Земли. Более того, большинство спутников планет приливно заблокированы своими центральными телами, в том числе Фобос и Деймос. Этот же механизм может остановить движение газового гиганта и оставить его на близкой к звезде орбите. Считается, что если не все, то подавляющая часть горячих юпитеров приливно заблокированы своими звездами.

Модели смены галса и Ниццы пришлись как раз кстати, списав все странности Солнечной системы на хаотичные процессы, происходившие в самом начале ее эволюции. Самая распространенная критика таких динамических моделей заключается в том, что детали протекания большинства описываемых процессов зависят от огромного числа неизвестных параметров, а следовательно, моделям не хватает предсказательной силы. Входные параметры можно произвольно корректировать до тех пор, пока они не создадут моделируемую Солнечную систему, которая будет выглядеть как реально существующая.

Странности Cолнечной системы, породившие в том числе мнение о ее исключительности, можно объяснить и не прибегая к гипотезе о миграции. В некоторых симуляциях эволюции протопланетного диска мы порой наблюдаем системы, похожие на нашу, но образовавшиеся без всякой миграции. Элизабет Бейли и Константин Батыгин в работе 2018 года предложили механизм формирования горячих юпитеров in situ, то есть там, где мы их наблюдаем65. И даже тяжелой бомбардировке был нанесен удар – в 2018 году в Nature вышла статья, подвергшая сомнению сам факт существования такого явления66. Но эти статьи пока что остаются лишь единичными случаями – большая часть научного астрономического сообщества уверена в существовании и поздней тяжелой бомбардировки, и процесса миграции планет.

Изучая формирование Солнечной системы, мы пытаемся понять, что случилось 4–5 миллиардов лет назад. Это как расследовать преступление, произошедшее в каменном веке. При всей силе современной науки мы не можем переместиться в прошлое и посмотреть, как же все было на самом деле. Наши знания оставляют слишком большое поле для фантазии, слишком много разных сценариев могло привести к той конфигурации планет, какую мы наблюдаем сегодня. Но все же главный урок, который мы должны вынести из этой истории, – планетные системы могут быть подвержены бо́льшим изменениям с течением времени, чем считалось ранее.