Положение планет в нашей Солнечной системе существенно отличается от конфигураций, наблюдаемых в других звездных системах. Это обстоятельство влечет за собой весьма специфические последствия: по имеющимся расчетам, вокруг нашего светила должны обращаться две планеты, способные поддерживать жизнь, а не одна, как мы знаем. Одна из этих планет пропала без вести – и это наиболее благоприятный сценарий развития событий. Объясняем, как это произошло и кто несет за это ответственность.
Обманчивая обыденность – и что за ней прячется
Наше восприятие окружающего мира часто склонно считать его привычным и повседневным. Но если внимательнее изучить, становится очевидным, что это не так. В качестве примера можно привести место, которое нас окружает. Кажется, что в Солнечной системе все в порядке: планеты вращаются по своим орбитам. Именно так считалось до тех пор, пока достижения в области астрономии не позволили значительно продвинуться в изучении и моделировании этих орбит.
Изначально орбита Юпитера значительно отклоняется от идеальной округлости, демонстрируя эксцентриситет, равный 0,048, что в три раза превышает значение для Земли. Однако, чем больше масса небесного тела, тем сложнее изменить его траекторию. Первоначально планеты, формирующиеся в протопланетном диске, располагались на орбитах, близких к круговым, поэтому их «вытягивание» могло произойти исключительно в результате гравитационного воздействия со стороны других объектов. Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли и в 2,5 раза превышает совокупную массу всех остальных планет Солнечной системы. Для того чтобы существенно изменить его орбиту, потребовались гравитационные взаимодействия огромного масштаба. С кем могли они быть связаны? Какой объект обладал достаточной массой, чтобы оказать на Юпитер такое влияние?
Уран и Нептун также заслуживают внимания: согласно расчетам, для их формирования в нынешних позициях потребовалось бы больше времени, чем существовал протопланетный диск. Единственный логичный способ разрешить этот парадокс – считать, что они изначально сформировались ближе к Солнцу, а затем переместились на более удалённые орбиты.
Наиболее сложной задачей для понимания в нашей системе являются Марс и, в целом, планеты земной группы. Согласно логике, масса планеты должна увеличиваться с удалением от Солнца. Это связано с тем, что более удаленные области протопланетного облака испытывают меньшее воздействие излучения звезды и солнечного ветра (потока заряженных частиц, исходящих с поверхности Солнца), и, следовательно, меньшая доля вещества в этих областях вытесняется наружу. Внешне все выглядит именно так: Меркурий имеет массу, в 15 раз меньшую, чем масса Венеры, а масса Венеры на 1,18 раза меньше массы Земли. Однако, когда речь заходит о Марсе, эта закономерность нарушается – он легче Земли в девять раз.
Некоторые трудности объясняются тем, что гравитационное поле Юпитера «вытянуло» часть планетезималей, из которых формировались планеты, подобные Земле, на значительное расстояние от Марса. Однако, согласно расчетам астрономов, на месте Марса должна была образоваться планета, масса которой составляла бы от 0,5 до 1,0 массы Земли.
Этот вопрос имеет практическое значение, а не является лишь теоретическим. Марс находится в зоне обитаемости Солнечной системы. Если бы у него была атмосфера, хотя бы отдалённо напоминающая земную, она способна была бы удерживать достаточно тепла, чтобы климат планеты был похож на засушливый климат Земли. Тем не менее, в настоящее время атмосфера Марса в 150 раз тоньше нашей – гравитация этой маломассивной планеты недостаточно сильна, чтобы удержать более плотную оболочку без проведения терраформирования.
Если бы масса Марса составляла от пяти до девяти раз больше, чем сейчас, то, вероятно, на четвертой планете нашей системы могли бы существовать условия для жизни. Возможно, жизнь возникла на Марсе и распространилась на Землю, или же земные исследователи уже начали бы освоение этого мира – с целью масштабной колонизации, которая в настоящее время нереализуема без длительного, около столетия, процесса терраформирования.
Существует еще один важный момент. Исследования других планетных систем демонстрируют, что планеты, сопоставимые по размеру с Землей, Венерой, Марсом и Меркурием, встречаются нечасто. Твердые планеты, как правило, обладают массой, значительно превышающей земную, из-за чего их классифицируют как суперземли. Таким образом, все планеты земной группы в нашей системе – это нечто вроде исключения. Кроме того, астрономы Константин Батыгин и Майкл Браун выдвинули предположение (и сейчас это гипотеза, поддерживаемая большинством ученых), что суперземля присутствует и в Солнечной системе – на чрезвычайно большом расстоянии от Солнца, в сотни раз больше, чем расстояние до Земли, и в десятки раз больше, чем до Нептуна. Естественно, протопланетные диски таких размеров в нашей системе отсутствовали. Это указывает на то, что данная суперземля могла попасть туда необычным способом уже после формирования планет поблизости от Солнца. Как же сложилась такая необычная ситуация?
Великое лавирование и Юпитерианский рывок
Анализ других планетных систем выявил, что миграция планет – их перемещение относительно звезды, приближение и удаление от нее – довольно распространенное явление, встречающееся в значительной части систем. Существование «горячих Юпитеров», планет, не наблюдаемых у Солнца, объясняется миграцией к звезде.
Газообразные планеты не способны сформироваться непосредственно вблизи звезды, поскольку излучение звезды выносит легкие элементы в более отдаленные области. Однако, после своего образования газовый гигант может стать нестабильным на своей орбите, например, из-за столкновений с планетезималями, которые постепенно замедляют его вращение вокруг звезды. Снижение скорости вращения приводит к тому, что планета начинает двигаться по все более узким орбитам вокруг своего светила. При этом ее гравитация выбрасывает объекты, находящиеся на ее пути, из системы. В конечном итоге, «горячие Юпитеры» нередко лишают свою звездную систему планет земного типа и приближаются к звезде на такое расстояние, что разогреваются до температур, достигающих тысяч градусов.
Из этого следует, что и наша система на ранних этапах развития могла существенно отличаться. Гигантские планеты не должны были обязательно сформироваться в своих нынешних позициях. Осознав это, астрономы разработали множество подробных математических моделей, описывающих движение небесных тел в Солнечной системе, и сделали неожиданное открытие.
Согласно расчетам небесной механики, наиболее вероятное место зарождения Юпитера, которое объясняет его нынешнюю вытянутость и положение орбиты, располагается всего на 3,5 астрономических единицах от Солнца – в 3,5 раза дальше, чем нынешнее расстояние от Земли до Солнца. В то время как в настоящее время Юпитер находится на расстоянии 5,2 астрономических единиц от Солнца, то есть на 250 миллионов километров дальше.
Моделирование также прояснило механизм его попадания туда. Первоначально столкновения с малыми небесными телами замедляли вращение вокруг звезды, что приводило к уменьшению скорости планеты на орбите и, как следствие, к её сближению с ней. На этапе приближения к Солнцу гравитационное влияние Юпитера вовлекла и Сатурн.
К нашему счастью, планеты, подобные Земле, формируются значительно медленнее, чем газовые гиганты, и завершают свое развитие уже после них. Если бы Земля и Марс появились раньше, их существование было бы затруднено. Юпитер остановился всего на 1,5 астрономических единицах от Солнца – что означает его расположение ближе к Марсу. Планеты, уже сформировавшиеся на тот момент, подверглись бы чрезмерному воздействию его гравитации, а их орбиты стали бы крайне неустойчивыми. Вероятнее всего, они бы покинули эту звездную систему.
Несмотря на это, миграция Юпитера повлекла за собой значительные трудности для планет, которые еще не сформировались. Его гравитационное воздействие существенно уменьшило количество вещества в области орбиты нынешнего Марса. Газ и пыль из этой части протопланетного диска оказались поглощены Юпитером, а часть планетезималей была выброшена за пределы системы. Регион, где образовалась Красная планета, оказался настолько лишенным материала, что Марс получил его в гораздо меньшем количестве, чем Земля.
Возникает вопрос: почему Юпитер не остановился на расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца, а изменил направление своего движения? Согласно моделям, Сатурн, следовавший за Юпитером, на определенном этапе оказался в орбитальном резонансе с ним. Это означало, что время, за которое Сатурн совершил два оборота вокруг Солнца, равнялось времени, за которое Юпитер сделал три оборота (такой резонанс называется 3:2 – хотя возможно, что он был равен 2:1).
Орбитальный резонанс возникает, когда небесные тела периодически оказываются на линии, соединяющей их. Вследствие этого гравитационное воздействие между ними значительно возрастает, что приводит к существенным изменениям в их орбитах. Влияние Сатурна позволило Юпитеру вернуться на свою траекторию вовремя. Если бы эта гигантская планета не остановилась на расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца, а приблизилась бы до 1,0 единицы – то есть до орбиты Земли – или даже за её пределы, то, вероятно, возникли бы вопросы, на которые было бы не на кого ответить. Земля представляла бы собой небольшую планету, схожую с Марсом, поскольку «миграция» Юпитера не предоставила бы ей достаточного количества вещества для формирования. В случае наличия жизни на ней, её развитие, скорее всего, было бы менее продвинутым, чем современное.
Влияние путешествия Юпитера туда и обратно отразилось и на Уране с Нептуном. Первоначально эти планеты располагались не дальше 17 астрономических единиц от Солнца. Перемещение двух «внутренних» планет-гигантов привело к тому, что внешние планеты оказались на более удаленных орбитах. На этих орбитах они и остаются: Уран находится в среднем на расстоянии 19 астрономических единиц от Солнца, а Нептун – на расстоянии 30 астрономических единиц.
В конечном итоге, миграция не оставила без последствий и спутники Юпитера. Эти объекты весьма велики, их диаметр достигает тысяч километров. Если бы они находились в покое, вдали от Солнца, их первоначальная атмосфера рассеивалась бы гравитацией гораздо дольше, чем существует наша Солнечная система. Однако перемещение на расстояние до полутора астрономических единиц значительно повысило температуру этих атмосфер, из-за чего крупнейшие юпитерианские спутники ее и потеряли.
Почему до сих пор не появились супергерои, и что случилось с гигантом, о котором ходят легенды
Как показано на представленной иллюстрации, суперземли являются наиболее распространенным типом планет, однако в нашей Солнечной системе они отсутствуют. Эти планеты формируются быстрее, чем небольшие планеты земной группы, и, следовательно, могли появиться в нашей системе до начала миграции Юпитера. В таком случае их ждала незавидная судьба: они должны были быть уничтожены падением на Солнце.
Остатки материала, некогда составлявшего протопланетный диск в районах, где сегодня находятся скалистые планеты Солнечной системы, были недостаточны для создания новых суперземель. Из них удалось сформировать лишь четыре планеты земной группы, при этом масса Земли составляет около половины общей массы этой группы.
И это еще не все. Почти любое моделирование ранних этапов формирования Солнечной системы указывает на то, что ее нынешнее строение крайне маловероятно – вероятность составляет лишь несколько процентов. В соответствии с наиболее вероятным сценарием, планеты должны располагаться на других орбитах, а эксцентриситет их орбит был бы несколько иным. Долгое время астрономы бились над этой загадкой, пока не решили включить в моделирование дополнительные планеты.
Согласно новым данным, вероятность формирования Солнечной системы, подобной современной, значительно возрастает, если предположить, что в ранний период ее существования присутствовало не четыре, а пять планет-гигантов. Вероятно, около 4,6 миллиардов лет назад действительно было пять планет, и одна из них представляла собой ледяного гиганта, аналогичного Урану или Нептуну.
Астрономы Батыгин и Браун, предложившие гипотезу о существовании девятой планеты, расположенной на расстоянии сотен астрономических единиц от Солнца, отмечают, вероятно, это и есть значительный объект (или один из подобных), когда-то выброшенный в результате масштабного перемещения Юпитера.
Бильярд космических масштабов
Почти вся архитектура Солнечной системы сформировалась под воздействием событий, предшествовавших появлению Земли. В области, где сегодня расположены Меркурий, Венера, Земля и Марс, вероятно, существовала суперземля – или даже несколько. В то время планетообразующая система включала пять гигантов, а не четыре. Неупорядоченное перемещение Юпитера и Сатурна привело к разрушению всех древних суперземль, которые были поглощены Солнцем, а также к удалению нынешней девятой планеты на дальние орбиты. Одновременно Юпитер и Сатурн сместились дальше от Солнца, а Уран и Нептун отодвинулись еще дальше.
Полученные данные указывают на то, что миграция планет-гигантов является определяющим фактором, влияющим на развитие планетной системы. Планетные системы с «горячими юпитерами» зачастую не содержат планет, подобных Земле, и, соответственно, не располагают условиями для возникновения жизни. Такие гигантские планеты остаются на близких к звезде орбитах из-за отсутствия гравитационного влияния, подобного сатурновскому, которое могло бы изменить их траекторию. Нахождение гигантских планет на малых расстояниях от звезды снижает вероятность формирования твердой планеты в обитаемой зоне.
В тех звездных системах, где не происходили миграции планет-гигантов, формируется несколько суперземель, расположенных на близких и плотно упакованных орбитах. Подобные системы не редкость вблизи Солнца, в качестве примера можно привести TRAPPIST-1, находящуюся на расстоянии 40 световых лет от Земли. О степени их обитаемости на данный момент судить сложно, однако, если эти планеты действительно обладают условиями, благоприятными для жизни, то в таких системах может существовать более одной, а порой и более двух обитаемых планет. Подтвердить или опровергнуть это ученые смогут уже в ближайшие десятилетия.
До открытия множества экзопланет среди специалистов преобладало мнение, что Солнечная система является подходящим регионом для формирования планет, подобных Земле, и возникновения жизни. Однако, в свете Великого лавирования Юпитера эта гипотеза выглядит менее убедительной. Первый пояс планет, состоящих из твердого вещества, был полностью разрушен. Более того, второй пояс, включающий планеты, схожие с Землей и Марсом, сформированный, можно сказать, из того, что удалось собрать, чудом избежал уничтожения или выталкивания в межзвездное пространство. Вероятно, формирование системы, пригодной для жизни, в нашей системе прошло крайне сложно, и количество потенциально обитаемых планет у нас значительно меньше, чем можно было бы предположить в более стабильном окружении.