Загадки Солнечной системы

Сет Джейкобсон из Мичиганского государственного университета и его коллеги из Китая и Франции представили новую теорию, которая может помочь разгадать галактическую тайну эволюции нашей Солнечной системы. В частности, как газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — оказались там, где они находятся, вращаясь вокруг Солнца, как они это делают? Исследование также имеет значение для того, как сформировались планеты земной группы, такие как Земля, и возможность того, что пятый газовый гигант скрывается на расстоянии 50 миллиардов миль. «Наша Солнечная система не всегда выглядела так, как сегодня. За ее историю орбиты планет радикально изменились», — сказал Джейкобсон, доцент факультета наук о Земле и окружающей среде Колледжа естественных наук. — Но мы можем выяснить, что произошло. Исследование, опубликованное в журнале Nature 27 апреля, предлагает объяснение того, что произошло с газовыми гигантами в других солнечных системах и в нашей.

Звезды рождаются из массивных клубящихся облаков космического газа и пыли. После того, как наше Солнце загорелось, ранняя Солнечная система все еще была заполнена первичным газовым диском, который играл неотъемлемую роль в формировании и эволюции планет, в том числе газовых гигантов. В конце 20 века ученые начали полагать, что газовые гиганты изначально вращались вокруг Солнца по аккуратным, компактным, равномерно расположенным орбитам. Юпитер, Сатурн и другие, однако, давно обосновались на относительно продолговатых, косых и растянутых орбитах. Итак, вопрос для исследователей сейчас: «Почему?» В 2005 году международная группа ученых предложила ответ на этот вопрос в трех знаковых статьях Nature. Решение было первоначально разработано в Ницце, Франция, и известно как модель Nice. В нем утверждается, что среди этих планет была нестабильность, хаотический набор гравитационных взаимодействий, которые в конечном итоге привели их на их нынешние пути.

«Это был тектонический сдвиг в том, как люди думали о ранней Солнечной системе», — сказал Джейкобсон. Модель Ниццы остается ведущим объяснением, но за последние 17 лет ученые нашли новые вопросы о том, что вызывает нестабильность модели Ниццы. Например, первоначально считалось, что нестабильность газового гиганта произошла через сотни миллионов лет после рассеяния того первичного газового диска, из которого родилась Солнечная система. Но новые данные, в том числе найденные в лунных камнях, извлеченных миссиями «Аполлон», предполагают, что это произошло быстрее. Это также поднимает новые вопросы о том, как развивалась внутренняя Солнечная система, в которой находится Земля.

Работая с Бэйбэй Лю из Чжэцзянского университета в Китае и Шоном Рэймондом из Университета Бордо во Франции, Джейкобсон помог найти решение, связанное с тем, как началась нестабильность. Команда предложила новый триггер. «Я думаю, что наша новая идея может действительно ослабить напряженность в этой области, потому что то, что мы предложили, является очень естественным ответом на то, когда произошла нестабильность гигантской планеты», — сказал Джейкобсон.

Новый триггер

Идея началась с разговора Раймонда и Якобсена еще в 2019 году. Они предположили, что газовые гиганты могли оказаться на своем нынешнем пути из-за того, как испарился первичный газовый диск. Это могло бы объяснить, как планеты рассредоточились гораздо раньше в эволюции Солнечной системы, чем первоначально постулировала модель Ниццы, и, возможно, даже без нестабильности, толкающей их туда. «Мы задавались вопросом, действительно ли модель Ниццы была необходима для объяснения Солнечной системы», — сказал Рэймонд. «Нам пришла в голову идея, что планеты-гиганты могут распространяться за счет эффекта «отскока» по мере того, как диск рассеивается, возможно, даже не становясь нестабильным».

Затем Рэймонд и Якобсен обратились к Лю, который впервые предложил эту идею эффекта отскока посредством обширного моделирования газовых дисков и больших экзопланет — планет в других солнечных системах — которые вращаются близко к своим звездам. «Ситуация в нашей Солнечной системе немного отличается, потому что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун распределены по более широким орбитам», — сказал Лю. «После нескольких сеансов мозгового штурма мы поняли, что проблема может быть решена, если газовый диск рассеется изнутри наружу».

По словам Рэймонда, команда обнаружила, что это рассеяние наизнанку стало естественным спусковым крючком для нестабильности модели Ниццы. «В итоге мы укрепили модель Ниццы, а не разрушили ее», — сказал он. «Это была забавная иллюстрация проверки наших предвзятых идей и следования результатам, куда бы они ни вели».

С новым триггером картина в начале нестабильности выглядит так же. Там все еще зарождающееся солнце, окруженное облаком газа и пыли. Горстка молодых газовых гигантов вращается вокруг звезды по аккуратным компактным орбитам сквозь это облако. «Все солнечные системы формируются в виде диска из газа и пыли. Это естественный побочный продукт формирования звезд», — сказал Джейкобсон. «Но когда солнце включается и начинает сжигать свое ядерное топливо, оно генерирует солнечный свет, нагревая диск и в конечном итоге выдувая его изнутри наружу».

Это создало растущую дыру в облаке газа с центром на Солнце. По мере того, как дыра росла, ее края проходили через орбиты всех газовых гигантов. Этот переход приводит к необходимой нестабильности планеты-гиганта с очень высокой вероятностью, согласно компьютерному моделированию команды. Процесс смещения этих больших планет на их нынешние орбиты также движется быстрее по сравнению с исходной временной шкалой модели Ниццы, исчисляемой сотнями миллионов лет.

«Нестабильность возникает сразу после того, как солнечный газовый диск рассеялся, и должна произойти в пределах от нескольких миллионов до 10 миллионов лет после рождения Солнечной системы», — сказал Лю. Новый триггер также приводит к смешиванию материала внешней Солнечной системы и внутренней Солнечной системы. Геохимия Земли предполагает, что такое смешение должно было произойти, пока наша планета еще находится в процессе формирования.

«Этот процесс действительно всколыхнет внутреннюю Солнечную систему, и Земля может вырасти из этого», — сказал Джейкобсон. «Это довольно согласуется с наблюдениями». Изучение связи между нестабильностью и формированием Земли является предметом будущей работы группы. Наконец, новое объяснение команды также применимо к другим солнечным системам в нашей галактике, где ученые наблюдали газовые гиганты, вращающиеся вокруг своих звезд в конфигурации, подобной той, что мы видим в нашей собственной. «Мы всего лишь один пример солнечной системы в нашей галактике», — сказал Джейкобсон. «Мы показываем, что нестабильность произошла по-другому, более универсально и более последовательно».

Планета Х

Хотя в статье группы это не подчеркивается, Джейкобсон сказал, что работа имеет значение для одного из самых популярных и иногда горячих споров о нашей Солнечной системе: сколько в ней планет? В настоящее время ответ равен восьми, но оказывается, что модель Ниццы работала немного лучше, когда в ранней Солнечной системе было пять газовых гигантов вместо четырех. К сожалению, согласно модели, эта дополнительная планета была выброшена из нашей Солнечной системы во время нестабильности, что помогает оставшимся газовым гигантам найти свои орбиты.

Однако в 2015 году исследователи Калифорнийского технологического института обнаружили доказательства того, что еще может существовать неизвестная планета, вращающаяся вокруг окраин Солнечной системы примерно в 50 миллиардах миль от Солнца, примерно в 47 миллиардах миль дальше, чем Нептун. До сих пор нет конкретных доказательств того, что эта гипотетическая планета, называемая Планетой X или Планетой 9, или «дополнительная» планета модели Ниццы действительно существуют. Но если они есть, могут ли они быть одним и тем же?

Джейкобсон и его коллеги не могли напрямую ответить на этот вопрос с помощью своих симуляций, но они могли сделать еще один лучший результат. Зная, что их триггер нестабильности правильно воспроизводит текущую картину нашей Солнечной системы, они могли проверить, работает ли их модель лучше, начиная с четырех или пяти газовых гигантов. «Для нас результат был очень похожим, если вы начинаете с четырех или пяти», — сказал Джейкобсон. «Если вы начнете с пяти, у вас больше шансов получить четыре. Но если вы начнете с четырех, орбиты в конечном итоге совпадут лучше».

В любом случае, у человечества скоро должен быть ответ. Обсерватория Веры Рубин, которую планируется ввести в эксплуатацию к концу 2023 года, должна быть в состоянии обнаружить Планету 9, если она там. «Планета 9 очень противоречива, поэтому мы не подчеркивали ее в газете, — сказал Джейкобсон, — но нам нравится говорить об этом с общественностью». Это напоминание о том, что наша Солнечная система — динамичное место, полное загадок и открытий, которые ждут своего часа.

Источник