Что такое суперземля?
Наша Солнечная система долгое время считалась образцом для всех планетных систем. Со временем мы, наконец, поняли, что этот случай является исключением, потому что в ней нет суперземли.
На астрономическом жаргоне суперземля — это внесолнечная планета, которая имеет большую массу, чем Земля, но все еще остается достаточно маленькой, чтобы считаться каменистой планетой. Суперземли характеризуются массой, в два-десять раз превышающей массу Земли, и диаметром, примерно в два раза превышающим диаметр нашей планеты.
Эти планеты часто сравнивают с Землей, поскольку они состоят в основном из горных пород и металлов, а не из газов, как газовые гиганты Юпитер и Сатурн. Сверхземли также имеют различный состав атмосферы — от небольшой или вообще без атмосферы до очень плотной атмосферы.
Оказалось, что такие миры довольно часто встречаются в Галактике. На основании наблюдений таких миссий, как Kepler и TESS, предполагается, что около трети всех экзопланет являются суперземлями.
Астрономы считают, что отсутствие таких миров в нашей системе можно объяснить присутствием Юпитера, который, мигрируя через пояс астероидов в течение первых нескольких миллионов лет своей истории, направил значительное количество материи к Солнцу, ограничив тем самым количество «сырья», необходимого для формирования таких планет.
С учетом этого, какое влияние оказала бы суперземля на нашу Солнечную систему? Недавно этим вопросом задалась группа под руководством Стивена Кейна, астронома из Калифорнийского университета в Риверсайде.
Для этой работы исследователи смоделировали планеты различной массы и разместили их на различных расстояниях в главном поясе астероидов. Этот пояс окружает нашу звезду между орбитами Марса и Юпитера. Самая близкая к Солнцу планета находилась на расстоянии двух астрономических единиц (АЕ), что в два раза больше расстояния от Земли до Солнца. Самая дальняя находилась на внешнем краю пояса астероидов на расстоянии около четырех АЕ (или 597 млн км).
Все моделирования начинались в настоящее время и заканчивались через десять миллионов лет. Астрономы регистрировали воздействие этих суперземель на каждую из восьми планет Солнечной системы каждые 100 лет.
Результаты показали, что четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Марс и Земля) особенно уязвимы к изменениям орбит.
Возьмем пример планеты, в семь раз более массивной, чем Земля, и расположенной немного дальше Марса. Согласно моделированию, орбиты Земли и Венеры стали очень эксцентричными (яйцеобразными), что привело к «потенциально катастрофическим близким столкновениям». В результате изменения их орбит также высвободилась энергия, которая затем была передана Меркурию. В результате вскоре после этого Меркурий был просто изгнан.
Чем больше проходило времени, тем более катастрофическими становились последствия. С такой суперземлей Марс просуществовал бы всего пять миллионов лет, а Земля и Венера — всего восемь миллионов лет.
В отличие от каменистых планет, газовые гиганты, в частности Юпитер и Сатурн, менее сильно пострадали от интеграции этих суперземель. Их орбиты были лишь слегка нестабильны в местах резонанса среднего движения (MMR).
Напомним, что места резонанса среднего движения — это определенные позиции в планетарной системе, где два орбитальных тела находятся в орбитальном резонансе. Это означает, что два тела вращаются в гармонии, так что их орбитальные периоды находятся в простых целочисленных соотношениях. Точнее, при резонансе среднего движения отношение орбитальных периодов двух тел равно простому целочисленному отношению, например, 2:1, 3:2, 4:3 и т.д. Например, если одно тело обращается вокруг звезды за два года, а другое — за один год, то эти два тела будут находиться в резонансе 2:1. Примерами резонанса среднего движения в нашей Солнечной системе являются резонанс 2:1 между Нептуном и Плутоном, резонанс 3:2 между Юпитером и поясом астероидов и резонанс 1:2 между Землей и Луной.
В данном случае, когда исследователи поместили ту же суперземлю Gliese 163c во внешнюю часть пояса астероидов на расстоянии 3,8 АЕ от Солнца, она оказалась в 8:5 MMR с Юпитером и 4:1 MMR с Сатурном. В результате орбиты двух газовых гигантов стали более овальными, настолько, что они сначала подавили суперземлю, а затем и Уран.
В целом, данное исследование показывает, что даже относительно небольшие изменения могут иметь огромное значение для стабильности нашей системы. В будущем было бы интересно оценить это влияние в более длительном временном масштабе, например, за миллиард лет.