В Солнечной системе, вероятно, был ещё один газовый гигант

Сейчас основной теорией эволюции Солнечной системы считается модель Ниццы. Она предполагает, что после рассеивания изначального протопланетного диска четыре гиганта — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — обращались по почти круговым орбитам на удалении в 5,5–17 а. е. от Солнца, а не в 5–30, как сейчас. За орбитой крайней из этих планет находился большой плотный диск из каменных и ледяных планетезималей. И простирался он до 35 а. е. от Солнца — дальше нынешней орбиты Нептуна.
На внутреннем крае этого диска планетезимали периодически гравитационно взаимодействовали с самым удалённым гигантом, который изменял их орбиты. Планета захватывала маленькие ледяные тела, увлекая их ближе к Солнцу, при этом обмениваясь моментами импульса с планетезималями. Для компенсации переданного момента гигант слегка сдвигался от Солнца, начиная ещё чаще подбирать планетезимали и отправлять их к светилу, и так далее... Таким образом, орбиты Урана, Нептуна и Сатурна последовательно перемещались вовне, пока планетезимали не оказались вблизи Юпитера. Через несколько сотен миллионов лет Юпитер и Сатурн, две внутренних планеты-гиганта, вошли в орбитальный резонанс 1:2 (или 2:3), что резко увеличило эксцентриситет их орбит, дестабилизируя всю систему. Под действием Юпитера Сатурн перемещается к его нынешнему положению, попутно выталкивая от Солнца Нептун и Уран.

Модель хорошо объясняет множество деталей истории нашей планетной системы, включая тяжёлую позднюю бомбардировку. Но у неё есть недостатки. В частности, все попытки точно смоделировать вышеописанные процессы заканчиваются провалом: один из четырёх гигантов оказывается выброшенным бродягой; землеподобные планеты начинают сталкиваться между собой — или, того хуже, орбита Юпитера становится неправильной, попутно дестабилизируя орбиты остальных тел.
Почему мы не видим ничего подобного на практике? Дэвид Несворни из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (США) и Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного берега (Франция) попытались решить проблему, предположив, что модель верна, просто в её развитии принимало участие больше компонентов, чем предполагалось.
Итак, вот что вышло. Наличие пятого гиганта смогло защитить землеподобные планеты от частых столкновений между собой (что несколько неожиданно) и одновременно стабилизировало систему в период миграции планет-гигантов к внешним орбитам. Стабилизация произвела негативное воздействие только на саму планету — в итоге она была выброшена гравитацией Юпитера из Солнечной системы, приобретя скорость выше третьей космической.
Нынешнее положение вещей также было проверено на соответствие сценарию с изначальной шестой гигантской планетой. Но вероятность эволюции такой системы в современную оказалась несколько меньше, чем с пятью гигантами, хотя и значительно выше, нежели в фундаментально неспособной прийти к сегодняшней картине системе, вовсе не имеющей дополнительных гигантов.
Согласно исследователям, по свойствам планета-изгнанник была чем-то средним между Нептуном и Ураном, при сходной массе и плотности. В то же время, если верна модель с шестью гигантами, из которых два позднее были изгнаны, то масса обоих изгнанников должна была составлять половину от массы Нептуна (8–9 земных), что помещает их в класс «суперземель». Такой вариант, кстати, до некоторой степени объясняет отсутствие планет такого рода в нынешней Солнечной системе — при их весьма частом обнаружении вообще.

Насколько модель Ниццы с изгнанием планет-гигантов может быть типичной для Вселенной? Пока нам не удалось обнаружить сходную систему нигде. Схема «землеподобные планеты — пояс астероидов — газовые гиганты — ледяные гиганты», да ещё и с большим разрывом между планетами, весьма отличается от известного нам о других системах; более того, уже известны случаи, когда гиганты размещаются ближе к звезде, чем землеподобные планеты.
После проведения примерно 10 тыс. симуляций развития системы астрономы пришли к выводу, что из её первичного состояния вытекает множество вариантов с различным распределением орбит планет, не совпадающим с нынешним. При этом вероятность образования Солнечной системы в её современном виде равна примерно 5%, то есть лишь каждая двадцатая звёздная система будет иметь столь редкое распределение планет в соответствующей иерархии. Правда, учитывая нынешние данные о количестве планетных систем, это означает, что только в нашей Галактике исключений должно быть по крайней мере несколько миллиардов.
Подготовлено по материалам arXiv.

Текст: Александр Березин

Подробнее