У Земли всего один троянский астероид, а у Юпитера — 4,5 тыс. Новое компьютерное моделирование, проведённое австралийским исследователем Джонти Хорнером из Университета Нового Южного Уэльса не только пролило свет на историю троянцев Юпитера, но и подтвердило теорию о дальней миграции этой гигантской планеты внутри Солнечной системы.

Прежде в ходу были две основные гипотезы, объясняющие происхождение троянцев Юпитера. Первая утверждает, что они возникли вместе с Юпитером на конечном этапе его формирования из протопланетного облака, лежавшего примерно в плоскости эклиптики современной Солнечной системы (вариант аккреции). Недостатком этого построения является то, что все основанные на нём модели предсказывают число возникших таким образом объектов, в 10 тыс. раз превышающее то, что мы видим сегодня (до нескольких миллионов астероидов диаметром более километра). Кроме того (и это непреодолимое препятствие), сформировавшись в плоскости эклиптики, они и вращаться должны в плоскости эклиптики, чего на деле не происходит. Наконец, почему у Сатурна троянцев нет, а у Юпитера их многие тысячи?..

Вторая теория — «динамическая». Через несколько сот миллионов лет после образования Солнечной системы Юпитер и Сатурн проходили через резонанс 1:2. Это означает, что за одно обращение одной из этих планет другая успевала дважды обернуться вокруг светила, а в момент сближения они оказывали друг на друга колоссальное гравитационное воздействие (всё же речь идёт о двух самых массивных планетах нашей системы). Такое взаимодействие привело к перестройке орбит Нептуна, Плутона, Урана (возможно) и Сатурна, которые увеличили радиус орбиты, а Юпитер, напротив, отвоевал себя местечко поближе к звезде. Все эти пертурбации повлияли на гравитационную устойчивость пояса Койпера, и часть астероидов, его населявших, переселилась на орбиту Юпитера. Одновременно с этим были разрушены все изначальные троянцы, сформировавшиеся при аккреции (если таковые были). Почему вторая теория требует уничтожения «изначальных» троянцев? Дело в том, что нынешние троянские астроиды Юпитера вращаются по большей части вне плоскости эклиптики, под огромными (почти до 60˚!) углами к ней. «Первоначальные» троянцы, сформировавшиеся из протопланетного диска, должны были там и оставаться, чего тоже не видно.

Чтобы испытать эти теории, астроном и астробиолог Джонти Хорнер построил сложную экспериментальную модель. Сначала он разделил все троянцы Юпитера на динамически стабильные и нестабильные (этому была посвящена отдельная, более ранняя работа). Выяснилось, что из известных астероидов лишь 1173 Анхис, вращающийся по умеренно вытянутой орбите под наклоном всего в 7˚ к оси эклиптики, не является динамически устойчивым. Исследователь 200 тыс. раз «клонировал» Анхис; каждый из астероидов-клонов имел орбиту, лишь незначительно отличающуюся от реальной. Затем системе дали 4 млрд лет самостоятельного развития на орбите виртуального Юпитера.

И вот итог. Примерно половина клонов была выброшена из Солнечной системы или ударила в свою планету за первые 350 млн. лет симуляции. Ну а через 4 млрд. лет лишь 224 клона Анхиса оставались в облаке юпитерианских троянцев — чуть больше 1%.

Что всё это означает? Во-первых доминирование среди троянцев Юпитера динамически стабильных говорит о достоверности концепции мигрирующего Юпитера. Если бы он всегда оставался на нынешней орбите, попасть в троянцы было бы почти невозможно: динамически стабильная группа — это не только та, что не распадается, но и та, в которую очень трудно проникнуть. Во-вторых, все нынешние астроиды вокруг Юпитера, по мнению г-на Хорнера, были захвачены им в момент миграции, оттеснив Сатурн от Солнца и приблизившись к нему. Дело в том, что в момент резонанса 1:2 гравитационная система Юпитер — Сатурн была очень динамически неустойчивой, то есть легко «проходима» для любых астероидов. Однако если в неустойчивую систему двух массивных тел было легко войти, то так же легко в ней можно и задержаться. Разумеется, резонанс 1:2 не мог продолжаться вечно: говоря словами классика, «либо одно, либо другое победит». Так и случилось: практически все астероиды такого типа остались у более массивного Юпитера, он же и «отшвырнул» своей гравитацией Сатурн от Солнца, а сам был сдвинут Сатурном к светилу. При этом изначально троянцев у Юпитера должно было быть куда больше, и основная (численно) их часть была, как и Анхис, неустойчивой в своём вращении по общей с Юпитером орбите. Однако почти все они покинули облако троянцев и отправились в межзвёздное пространство, а может, упали на планеты в нашей системе. И остался только 1173 Анхис...

Теория требует соответствующих корректировок изначальных орбит всех газовых гигантов. Так, по соответствующей модели для Нептуна, он должен был мигрировать дальше от Солнца как минимум на 1 млрд. км (всемеро дальше, чем от Земли до Солнца). По сути, это означает ошибочность наших представлений о времени возможного биогенеза на лунах Сатурна и Юпитера: видимо, Титан долгое время был значительно жарче, чем сейчас, а Европа, наоборот, холоднее. Не исключено даже, что орбиты Земли и Марса до некоторой степени были скорректированы колоссальным гравитационным «перетягиванием каната», столь серьёзно подвинувшим планеты-гиганты. Из этого, в свою очередь, следует, что ранее на этих планетах могли быть вовсе не те климатические условия, которые мы видим сейчас, и даже не те, о которых думаем, исходя из теории «слабого молодого Солнца»...

Подготовлено по материалам The Conversation.

Текст: Александр Березин

Послушать эту новость