В нашей Солнечной системе могли быть другие планеты

Задолго до того, как образовались Меркурий, Венера, Земля и Марс, внутри Солнечной системы могли гнездиться другие суперземли — планеты по размерам больше Земли, но меньше Нептуна. Если это так, то те времена давно прошли, планеты были разбиты и упали на Солнце миллиарды лет назад, благодаря движению Юпитера в юности нашей системы.

Этот сценарий был предложен Константином Батыгиным, планетологом Калифорнийского технологического института, и Грегори Лавлином из Калифорнийского университета в Санта-Круз в работе, опубликованной на днях в Трудах Национальной академии наук (PNAS). Результаты их расчетов и моделирования указывают на возможность существования другой картины ранней Солнечной системы, которая могла бы ответить на ряд нерешенных вопросов о текущем составе Солнечной системы и самой Земли. К примеру, новая работа задается вопросом, почему у планет земной группы в Солнечной системе относительно низкая масса по сравнению с планетами, вращающимися вокруг других солнцеподобных звезд.

«Наша работа показывает, что миграция Юпитера по направлению внутрь могла уничтожить первое поколение планет и создать условия для формирования бедных массой планет земной группы, из которых состоит наша Солнечная система сегодня», — говорит Батыгин, доцент кафедры планетологии. — «Все это красиво вписывается в последние открытия относительно того, как развивалась Солнечная система».

Изображение ниже — это модель, созданная Калтехом и его филиалом в Санта-Крус, которая демонстрирует юную Солнечную систему, когда Юпитер, вероятно, осуществил великую миграцию внутрь (на ней орбита Юпитера представлена толстым белым кругом). По мере движения внутрь, Юпитер подхватил примитивные строительные блоки планет, или планетезимали, и выгнал их на эксцентрические орбиты (бирюзовый), которые наложились на нетронутую часть планетарного диска (желтый), положив начало каскаду столкновений, которые могли бы столкнуть любые внутренние планеты на Солнце.

Благодаря недавним исследованиям экзопланет, то есть планет, которые находятся в других системах, мы знаем, что около половины солнцеподобных звезд в нашей галактике имеют планеты на своих орбитах. Тем не менее эти системы не похожи на нашу собственную. В нашей Солнечной системе, очень немногое находится в пределах орбиты Меркурия, кроме небольшого мусора, но никаких планет нет. Это сильно контрастирует с тем, что астрономы наблюдают на примерах других планет в большинстве планетарных систем. Эти системы обычно имеют одну или больше планет, которая будет массивнее Земли и находиться ближе к Солнцу, чем Меркурий.

«На самом деле, кажется, что Солнечная система представляется необычной по сравнению с остальными. Наша система особенная, — говорит Батыгин. — Но нет никаких причин полагать, что в нашей системе формирование планет пошло не так, как везде. Разумнее было бы предположить, что дальнейшие изменения повлияли на общий вид».

По мнению Батыгина и Лавлина, Юпитер имеет решающее значение для понимания того, как Солнечная система пришла в свой нынешний вид. Их модель включает так называемый сценарий Grand Tack («Великой смены курса»), впервые предложенный в 2001 году учеными Лондонского университета и пересмотренный в 2011 году командой Обсерватории Ниццы. Согласно этому сценарию, в первые несколько миллионов лет жизни Солнечной системы, когда планетарные тела находились в диске газа и пыли вокруг относительно молодого Солнца, Юпитер стал настолько массивным и овладел настолько мощной гравитацией, что проделал дыру в диске. И пока Солнце затягивало диск по направлению к себе, Юпитер вытягивал его наружу.

«Юпитер продолжал влиять на этот пояс, постепенно приближаясь к Солнцу», — говорит Батыгин. Сатурн образовался позже Юпитера, но начал двигаться к Солнцу более быстрыми темпами. Как только две массивные планеты оказались достаточно близко, их запер особый вид отношений — орбитальный резонанс — когда их орбитальные периоды стали выражаться как отношение целых чисел. При орбитальном резонансе 2:1 Сатурн завершал две орбиты вокруг Солнца за то время, пока Юпитер завершал одну. При таком отношении два тела начали оказывать гравитационное воздействие друг на друга.

«Этот резонанс позволил двум планетам образовать разрыв в диске и обмениваться угловым моментом и энергией», — говорит Батыгин. В конце концов, все пришло к тому, что весь газ между двумя мирами был вытеснен и отправлен, а миграция планет началась в обратном направлении. То есть планеты мигрировали внутрь, а затем резко изменили курс, словно лодка, обошедшая буек.

В более ранней модели, разработанной Брэдли Хансеном из Калтеха, планеты земной группы остановились на своих нынешних орбитах с нынешними массами при определенных обстоятельствах — когда все планетезимали внутренней Солнечной системы образовались в узком кольце в пределах 0,7-1 а. е. от Солнца (1 а. е. — это среднее расстояние от Солнца до Земли) спустя 10 миллионов лет после образования Солнце. По сценарию Grand Tack, внешний край этого кольца очертил Юпитер во время движения к Солнцу и очищения разрыва в диске на пути к нынешней орбите Земли.

Что насчет внутреннего края? Почему планетезимали должны быть ограничены внутренним кольцом? Этот момент не затрагивался, говорит Батыгин.

Он утверждает, что ответ может заключаться в изначальных суперземлях. Пустая дыра внутренней Солнечной системы соответствует почти точно орбитальному району, в которых обычно встречаются суперземли возле других звезд. Поэтому разумно предположить, что этот регион был очищен группой планет первого поколения, которые просто не выжили.

Расчеты и моделирование Батыгина и Лавлина показывают, что по мере того, как Юпитер передвигался внутрь, он стянул все планетезимали на своем пути вследствие орбитальных резонансов и отнес их к Солнцу. И когда эти планетезимали подошли ближе к Солнцу, их орбиты стали эллиптическими.

«Вы не можете уменьшить размер своей орбиты просто так, потому увеличилась эллиптичность», — объясняет Батыгин. Эти новые вытянутые орбиты привели к тому, что планетезимали в пределах 100 километров прошли через нетронутые области диска и положили начало каскаду столкновений среди обломков. Каждый планетезималь столкнулся с другим объектом хотя бы раз за каждые 200 лет, яростно разбив его на части и направив в сторону Солнца.

Ученые провели моделирование ситуации, которая показала, что могло случиться с поколением суперземель во внутренней Солнечной системе, если бы они приняли участие в этом каскаде столкновений. Для примера взяли «Кеплер-11», включающей шесть суперземель с общей массой в 40 раз превышающей земную. Модель показала, что эти суперземли ушли бы на Солнце под градом планетезималей всего за 20 000 лет.

Это весьма эффективный физический процесс, говорит Батыгин. Нужно всего несколько земных масс материала, чтобы отправить планеты в десятки земных масс к Солнцу.

Батыгин отмечает, что когда Юпитер засосал все вокруг, некоторая часть планетезималей осталась на круговых орбитах. И только 10% материала нужно было оставить, чтобы образовать современный Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

С этого момента потребовались миллионы лет, чтобы эти планетезимали слиплись и в конечном итоге образовали планеты земной группы — этот сценарий отлично вписывается в измерения, которые предполагают, что Земля образовалась 100-200 миллионов лет после рождения Солнца. Это также могло бы объяснить, почему в атмосфере Земли мало водорода — первичный диск из водорода и гелия к моменту образования Земли уже иссяк. Наша планета собралась из бедного плавника.

Потому-то она и отличается от большинства экзопланет. Их большинство — суперземли — обладают атмосферами из водорода, потому что сформировались в определенный момент эволюции своего планетарного диска, когда газа было предостаточно. Также из этого может следовать, что планеты, похожие на Землю, не очень-то и распространены.

Документ также предполагает, что образование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна — процесс, который достаточно редок с точки зрения планетологов — играет важную роль в определении, будет планетарная система похожа на нашу или нет.