Юпитер мог уничтожить все суперземли в ранней Солнечной системе

Наша Солнечная система весьма непохожа на другие известные нам звездные системы. Например, орбита первой планеты в ней (Меркурия) пролегает на расстоянии от 0.3 до 0.46 астрономических единиц (46 — 69 миллионов километров) от поверхности звезды. На первый взгляд, это совсем немного — но дело в том, что в большинстве известных систем  планеты находятся куда ближе к светилу. К примеру, в системе солнцеподобной звезды Kepler-11 известно шесть планет, общая масса которых эквивалента 40 земным. Орбиты пяти из них уложились бы внутри орбиты Меркурия.

При этом,  почти во всех случаях речь идет вовсе не о маленьких телах, подобных внутренним планетам Солнечной системы — возможности земной техники пока что не позволяют массово находить подобные небольшие экзопланеты. Астрономы уже давно выделили отдельный класс экзопланет, известных как горячие Юпитеры. Это газовые гиганты, с массой эквивалентной (или даже больше) юпитерианской, которые вращаются на очень небольшом расстоянии вокруг звезды — в среднем, дистанция составляет примерно 0.05 а.е.,  но она может быть и меньше. Из-за такого близкого расположения атмосфера подобных планет нагрета до температур в несколько тысяч градусов, а в случаях самых близко расположенных к звезде тел, гравитация светила оказывает на них такое сильное влияние, что изменяет их форму, а порой и попросту постепенно разрывает на части. Существует также  т.н. класс горячих Нептунов — это близко расположенные к звезде планеты, масса которых сопоставима с массой Урана или Нептуна (14 — 17 земных).

В Солнечной системе все обстоит совсем не так. По сравнению с другими звездными системами ее внутренняя область кажется пустынной, Юпитер же находится на расстоянии около 5 а.е. от Солнца. Известно, что большая часть существующих ныне моделей эволюции Солнечной системы исходит из того, что в древности орбиты газовых гигантов находились не на своих нынешних местах. Данные построения условно объединены в т.н. «модель Ниццы», примерная суть которой заключается в том, что четыре миллиарда лет назад Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран находились намного ближе к Солнцу и друг другу, вращаясь на круговых орбитах, отстоящих на 5,5–17,0 а. е. от центра Солнечной системой. За ними примерно на той орбите, где сейчас располагается Нептун, находился большой протопланетный диск из каменных и ледяных планетезималей.

Вхождение Юпитера и Сатурна в орбитальный резонанс 1 к 2 или 3 к 2 привело к увеличению эксцентриситета их орбит и дестабилизации всей Солнечной системы, результатом которой стала миграция газовых гигантов и практически полное рассеивание протопланетного диска. Также существуют модели, предполагающие что в рамках этого кульбита орбиты Урана и Нептуна поменялись местами, а также что из Солнечной системы был выкинут пятый газовый гигант.

Однако, несмотря на всю интересность данных построений, они не отвечает на вопрос о том, почему во внутренней части Солнечной системы так пустынно и нет суперземель. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Санта-Круз попытались решить данную проблему, проведя компьютерное моделирование наиболее раннего этапа формирования Солнечной системы, когда ей было всего несколько миллионов лет от роду. Согласно созданной ими компьютерной модели, Юпитер изначально сформировался на расстоянии от 3 до 10 а.е. от Солнца. Дальнейшее гравитационное  взаимодействие газового гиганта с веществом из протопланетного диска привело к тому, что он начал свою миграцию во внутреннюю область Солнечной системы,  в конечном счете приблизившись к Солнцу на расстояние 1.5 а.е. — т.е. примерно на современную орбиту Марса.

По мере того, как Юпитер приближался к Солнцу, его гравитация приводила ко все большему возмущению среди планетезималей (зародышей будущих планет), орбиты которых становились все более вытянутыми, что в конце концов привело к целому каскаду столкновений среди них. По мнению исследователей в тот период времени  столкновения планетезималей в Солнечной системе происходили раз в 200 лет. Одна из моделей включала в себя симуляцию миграции Юпитера в системе аналогичной Kepler-11 с шестью суперземлями — по ее результатам все эти планеты были уничтожены в течении всего 20 000 лет. Большая часть обломков от подобных столкновений стала бы или добычей Солнца, или же вовсе была бы выкинута за пределы Солнечной системы.

Согласно модели, итогом подобной миграции Юпитера стала бы потеря до 90% изначального материала протопланетного диска во внутренней части Солнечной системы, и полное уничтожение первого поколения зарождавшихся внутренних планет. Из уцелевших 10% материала в итоге и сформировались известные нам небольшие каменные планеты, что произошло на 100 — 200 миллионов лет позже, чем появление газовых гигантов.  Внутренняя миграция Юпитера была остановлена после формирования Сатурна, который со временем вошел с ним в орбитальный резонанс 3 к 2, что в итоге привело к обратной миграции Юпитера, затем и к описанным в «модели Ниццы» событиям.

Таким образом, если новая модель соответствует действительности, то важнейшим фактором, благодаря которому Земля появилась на свет стало формирование второго массивного газового гиганта, способного стабилизировать орбиту первого. Без Сатурна, Юпитер продолжил бы свою миграцию, выкинув остатки вещества из внутренней части Солнечной системы и в конечном счете перешел бы в класс «горячих».

Разумеется, это исследование носит теоретический характер и не имея машины времени несколько затруднительно проверить, как все было на самом деле. Однако из данной модели вытекает несколько следствий, которые в принципе вполне поддаются проверке путем изучения других планетных систем. Во-первых, если модель верна, то в системах с суперземлями не должно быть массивных газовых гигантов с периодами обращения более 100 земных дней. Во-вторых, в системах с горячими Юпитерами не должно быть несколько менее массивных газовых гигантов, орбиты которых находились бы за ними.  С учетом нынешнего прогресса в изучении и роста количества открытых экзопланет потребуется не так и много времени, чтобы создать достаточно большую статистическую выборку, которая позволит проверить, насколько эти выводы соответствуют реальному положению дел.

По материалам: spaceref.com,  slate.com