Российский физик разгадал тайну Солнечной системы

С развитием вычислительной техники все больше открытий в физике вообще, и в астрофизике в частности, совершаются не в лабораториях или обсерваториях, а в недрах суперкомпьютеров. Быстрота современных процессоров, решающих миллионы дифференциальных уравнений, позволяет моделировать самые сложные процессы во Вселенной, если ученые знают, по каким законам физики они протекают. Infox.ru уже рассказывал, как при помощи суперкомпьютеров моделировались взрывы сверхновых, эволюция Пояса Койпера или рождение Млечного пути.

Стандартная модель

Астрофизику Сергею Наякшину из Лестерского университета суперкомпьютер помог пошатнуть существующие представления ученых об эволюции Солнечной системы и ее планет. Число и разнообразие планет Солнечной системы ставило перед астрофизиками немало вопросов о том, схожи ли процессы образования планет земной группы и планет-гигантов, рождались ли планеты на тех же орбитах, где мы видим их сейчас, и как долго длилась их эволюция. В 1969 году советский астрофизик Виктор Сафронов заложил стандартную модель, утверждавшую, что планеты рождались примерно на тех же орбитах, где расположены сейчас. Теория гласила, что планеты образовывались путем постепенного «слипания» твердых частиц и камней. Затем, по достижении нескольких земных масс, планеты стали притягивать из протопланетного диска более легкие элементы, например водород, и формировать свои атмосферы. Однако в рамках теории Сафронова ученым не удалось описать, как произошел переход от небольших камней к так называемых планетезималям — каменным глыбам размером в десятки километров.

Сжались от холода

Однако долгое время существовал и другой подход в понимании эволюции, аналогичный образованию самого Солнца. Он подразумевал гравитационное сжатие отдельных областей газа в протопланетном диске и дальнейшее образование в этих сгустках ныне существующих планет. Однако для образования сгустка диск должен быть достаточно холодным и плотным, что невозможно на расстояниях, где сегодня наблюдаются планеты земной группы.

«Примерно с 1980 года ученые стали предполагать, что планетам очень трудно сидеть на одном месте в диске, — пояснил Infox.ru Сергей Наякшин. — Расстояние между многими „горячими юпитерами“ до звезд исключает их возникновение на этих орбитах. К тому времени ученые отвернулись от солнечной теории происхождения планет в пользу теории планетезималей». Сочетав предположение о миграции планет с более ранними идеями, ученый создал компьютерную модель, просчитавшую альтернативный вариант эволюции нашей системы. В расчет были приняты уравнения состояния газа, столкновения пылинок и тепловой баланс в сжимающихся сгустках газа.

Расчет показал, что на расстояниях в 50–100 астрономических единиц от Солнца диск действительно мог быть довольно плотным и холодным, чтобы в нем под действием самогравитации могли рождаться сгустки пыли и газа. По мере увеличения этих сгустков в них происходило разделение тяжелых и более легких элементов. Благодаря этому в центрах протопланет стали появляться тяжелые ядра (не обязательно твердые). Зародыши планет могли сталкиваться друг с другом или при близких проходах выталкивать один из них на внешние орбиты.

Планеты-мигранты

Моделирование показало, что протопланеты за счет трения о диск теряли угловой момент и постепенно мигрировали к Солнцу. Дело в том, что родившаяся планета должна слегка опережать газопылевой диск, в котором она находится на начальных этапах. Это связано с тем, что движение газа на любом расстоянии от Солнца задается не только расстоянием до него, но и давлением самого газа в этой точке.

Дальнейшие события были наиболее интересными. Оказалось, что на расстояниях до нескольких а.е. газовая оболочка планет стала срываться приливным воздействием со стороны Солнца. «Весь процесс миграции и срыва газовой оболочки происходил довольно быстро — до 10 тыс. лет. Расчет показал, что Солнце могло сорвать всю газовую оболочку этих больших планет», — пояснил ученый. Наличие атмосфер, скажем у Земли и Венеры, ничуть не противоречит описанному механизму, так как в конце миграции планеты должны были обладать куда более протяженными газовыми оболочками, большую часть которых сорвало Солнце. Поэтому описанный механизм объясняет как происхождение твердых планет земной группы с довольно тонкими атмосферами, так и газовых гигантов. Вопрос лишь в том, где застало планету окончание миграции к Солнцу.

В пользу высказанной теории говорит и наблюдаемое собственное вращение планет земной группы. До сих пор оставалось неясным, почему Земля и Марс вращаются почти с одной и той же скоростью и в том же направлении, что Солнце и остальные планеты. Схожие угловые скорости планет — большая проблема для стандартной теории. В ней планеты рождаются при ударах более мелких тел. Такие удары сильно меняют угловую скорость тел, причем совершенно беспорядочно. «В моей же теории общее вращение получается естественным: облако, из которого образовались планеты, вращалось изначально, так как образовалось во вращающемся диске. То есть, там изначально было выделенное направление вращения», — добавил исследователь.

Вычисления проводились на суперкомпьютере Элис Лестерского университета, на просчет одной симуляции уходило около двух недель. Работы ученого приняты к публикации в британском журнале MNRAS.