В Солнечной системе существует давно потерянная планета
|
|
Современные орбиты таят улики, раскрывающие суровые условия происхождения солнечной системы — а возможно и существование межзвездного гиганта, давным-давно сбившегося с пути. Наша солнечная система подобна сцене преступления, произошедшего 4,6 миллиарда лет назад. Поверхности, усеянные кратерами, смещенные планетарные орбиты и облака межпланетных обломков — космические аналоги брызг крови на стене и следов заноса уходящей от погони машины. Эти и другие улики рассказывают о хаотическом происхождении нашего планетарного семейства.
|
|
Среди этих следов таятся подсказки о потерянном собрате — девятой планете (нет, речь не о Плутоне), выкинутой прочь в ходе гравитационного перетягивания каната, сопровождавшего первоначальное формирование солнечной системы. В наши дни на периферии солнечной системы господствуют четыре огромных планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. За ними находится пояс Койпера — поле ледяных осколков, среди которых обретается и Плутон.
|
|
«Не стоит думать, что периферия солнечной системы всегда была такой же, как и сейчас», — говорит Дэвид Несворни, ученый планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штате Колорадо, который первым высказался в пользу мнения о существовании беглой планеты в 2011 году.
|
|
Несворни — член группы ученых, которые пытаются выяснить, каким образом солнечная система развивалась в первые несколько сотен миллионов лет своего существования. Используя сложные компьютерные модели, исследователи составили хронологию столкновений между новорожденными планетами, возникшими относительно близко друг к другу — они поочередно скользили и перепрыгивали с одной орбиты на другую. Эти модели раскрыли множество мелких подробностей о том, как проходит вращение планет, астероидов и комет вокруг солнца в наши дни.
|
|
Оставалась лишь одна проблема. Как правило, смоделированные сценарии заканчивались выдворением либо Урана, либо Нептуна за пределы солнечной системы, как написал Несворни в сентябре в «Ежегодном обзоре по астрономии и астрофизике» (Annual Review of Astronomy and Astrophysics).
|
|
Поскольку в действительности Уран с Нептуном остаются на своих местах — космические летательные аппараты посетили как тот, так и другой — что-то в этих сценариях не складывалось. Однако, как подозревают многие исследователи, ключевым игроком в этой загадке и недостающим звеном в истории солнечной системы вполне может быть пятая по счету планета-гигант.
|
|
Исчезнувшая планета
|
|
Для воссоздания этих древних сцен астрономы полагаются на компьютерные модели, создавая тысячи различных солнечных систем тысячами разных способов. Они переводят в программный код законы физики и любые первоначальные расположения планет, какие только могут придумать. Исследователь задает параметры — одну планету сюда, кучку астероидов туда — а затем откидывается в кресле и дает смоделированной среде сделать за него всю работу. Через пару недель в реальном времени — за которые в модели проходят миллионы лет — астроном проверяет результаты, чтобы посмотреть, что стало с солнечной системой. Чем ближе она к реальности, тем успешнее модель.
|
|
Именно этим Несворни и занимался в 2009 году. Он копался в виртуальных солнечных системах, пытаясь спасти виртуальный Уран и виртуальный Нептун от дороги в один виртуальный конец в глубоком космосе.
|
|
Проблема была в Юпитере — гигантской планете-хулигане, чья гравитация может дотягиваться достаточно далеко, чтобы помыкать меньшими планетами и различными обломками. В наиболее успешной имитации на тот момент, Юпитер и одна из двух внешних планет отскочили друг от друга и, в конце концов разместились на своих современных орбитах. Но случалось такое только в одном проценте всех моделей. В остальных 99% случаях Юпитер швырял Уран или Нептун так сильно, что те покидали солнечную систему, и никогда больше в нее не возвращались.
|
|
«Это делало ситуацию очень загадочной, так как мы знали, что Уран и Нептун продолжили существовать в своем нынешнем виде», — говорит Несворни. Поэтому он продолжал экспериментировать. После года моделирования бесчисленного множества разных сценариев, он начал подумывать о добавлении планет-мучеников — лишних планет, принесенных в жертву, чтобы спасти остальных.
|
|
«Я просто моделировал их существование, чтобы увидеть, что получится, а не потому, что серьезно относился к самой идее, — говорит Несворни. — Но затем я понял, что в этом может быть разумное зерно». Он прогнал около 10 тысяч сценариев, изменяя количество лишних планет, их первоначальное местонахождение и массу каждой из них.
|
|
Самым лучшим вариантом, наиболее точно предсказавшим нынешнее состояние нашей солнечной системы, оказался тот, в котором лишняя планета размещалась между первоначальными орбитами Сатурна и Урана. По массе планета была приблизительно равна Урану и Нептуну, и почти в 16 раз превосходила Землю. Именно такая планета могла столкнуться с орбитой Юпитера и вылететь из солнечной системы.
|
|
График показывает, как менялось расстояние между планетами и солнцем с течением времени. Первые несколько миллионов лет в компьютерной модели орбиты менялись медленно, затем произошел близкий контакт между Сатурном (зеленый) и лишней планетой (фиолетовый), который привел к дестабилизации орбит. Пунктирные линии отмечают современные размеры орбит. (Источник: взято из материалов д. Несворни/раздела астрономии и астрофизики журнала Knowable, 2018.)
|
|
Шансы все равно невелики. В последующих моделях такой расклад заканчивался успехом примерно в пяти процентах случаев. «Существование солнечной системы в ее нынешнем виде не является ни типичным, ни предсказуемым результатом, — отметил Несворни в 2012 году в статье, написанной в соавторстве с его коллегой Алессандро Морбиделли (Alessandro Morbidelli) из Обсерватории Лазурного берега во Франции. Несмотря на это, модель стала значительным прогрессом по сравнению с однопроцентной вероятностью успешного исхода тех моделей, которые включали лишь те четыре планеты-гиганта, которые мы знаем и любим сегодня.
|
|
«Если допустить существование пятой планеты, объяснить происходящее становится намного легче», — говорит Шон Рэймонд, ученый-планетолог из Университета Бордо во Франции. И хотя доказательства в основном косвенные, «гораздо логичнее предположить, что тогда там была еще и пятая планета».
|
|
Это может показаться очень неоднозначным предположением. Как могут астрономы знать хоть что-то о том, что произошло четыре миллиарда лет назад, хотя бы и с планетами которые мы можем наблюдать сейчас, не говоря уже о тех, о которых нам ничего не известно? Однако оказывается, что планеты оставили уйму боевых шрамов молодости в качестве улик для детективов будущего.
|
|
Межпланетарные брызги крови
|
|
«Мы более чем уверены в том, что планеты возникли не там, где они находятся сегодня», — сообщил Натан Кайб, ученый-планетолог из университета Оклахомы в Нормане.
|
|
Впрочем, осознание этого произошло совсем недавно. На протяжении большей части истории, звездочеты не сомневались в том, что планеты всегда находились на своих сегодняшних орбитах. Но в начале 1990-х исследователи поняли, что в такой модели чего-то не хватает.
|
|
Сразу за орбитой Нептуна находится пояс Койпера, россыпь ледяных осколков, опоясывающих солнце. «Это и есть наши брызги крови на стене», — говорит Константин Батыгин, ученый-планетолог из Калифорнийского технологического института.
|
|
Расположение объектов пояса Койпера привело исследователей к неизбежному выводу: Нептун должен был сформироваться гораздо ближе к Солнцу, чем предусматривает его текущее расположение. Многие объекты пояса Койпера скапливаются вместе на концентрических орбитах, отдаленно напоминающих канавки на музыкальной пластинке. Эти орбиты едва ли случайны — они напрямую связаны с Нептуном.
|
|
Например, Плутон — самый известный обитатель пояса Койпера. Он и пара сотен его известных нам попутчиков делают вокруг Солнца ровно два оборота за те три, что совершает Нептун за тот же срок. Другие потоки мусора в поясе совершают один полный оборот за каждые два, завершенные Нептуном — или точнее, четыре за каждые семь.
|
|
Пояс Койпера не мог сделаться таким без внешнего воздействия. Однако если предположить, что Нептун возник ближе к Солнцу и затем выдвинулся наружу, его сила притяжения была бы достаточно сильна, чтобы поймать в свои сети межпланетный мусор и отправить его на эти необычные орбиты.
|
|
Данная модель показывает, как тесное расположение внешних планет (изображение слева) может меняться с течением времени. Орбиты Юпитера и Сатурна сближаются (изображение в центре), что приводит к изменению всех прочих орбит. Конкретно в данной модели Уран и Нептун меняются местами. Спустя некоторое время, (изображение справа) космические обломки оказываются разбросаны — некоторые из них оседают в поясе Койпера, в то время как планеты начинают двигаться к своим современным орбитам. (Источник: адаптировано из Astromark/Викисклад.)
|
|
Это совпало с предсказаниями некоторых моделей, полученных на десятилетие раньше.
|
|
Формирование планет оставило за собой беспорядок из рассеянных по всей солнечной системе осколков. Любые фрагменты, оказавшиеся слишком близко к Нептуну, неизбежно бы попали под влияние его силы притяжения. Так как за всяким действием следует равное по силе противодействие, каждый раз, когда Нептун подталкивал осколок, он и сам двигался в противоположном направлении. Медленно, но верно, Нептун полз прочь от солнца.
|
|
Миграционный процесс Нептуна касается и других гигантских планет. Ведь Юпитер, Сатурн и Уран пробивались через то же поле обломков и имели дело с похожими гравитационными взаимодействиями. И если Нептун переехал на новое место, то же должно было произойти и со всеми остальными планетами-гигантами.
|
|
И процесс этот явно не был гладким.
|
|
Непрекращающиеся столкновения со всем этим мусором должны были превратить орбиты планет-гигантов в идеальные, стройные круги — совсем как глина на гончарном круге сглаживается твердой рукой гончара. Однако орбиты получились совсем не такими. Вместо этого планеты-гиганты двигаются по слегка вытянутым и искаженным орбитам. Как будто кто-то ударился о колесо, меняя форму некогда круглых горшков.
|
|
Скачущий Юпитер
|
|
К 2005 году исследователи вышли на виновника. Новые модели свидетельствовали, что в какой-то момент планеты-гиганты прошли через то, что ученые называют «динамической неустойчивостью». Иначе говоря, примерно на миллион лет все завертелось в безумной круговерти. Наиболее вероятной причиной для этого казалась череда столкновений между Сатурном и Ураном, или Нептуном — то есть одним из ледяных гигантов — что отправило один из них прямо в сторону Юпитера. Как только заблудшая планета приблизилась, ее сила гравитации притянула Юпитер, замедляя и сдвигая его на более узкую орбиту. Однако Юпитер притянул вторгнувшуюся планету ничуть не слабее. Ледяной гигант, будучи намного легче, разогнался гораздо больше, чем Юпитер замедлился, и отправился прочь от солнца.
|
|
Такое происшествие стало бы для Солнечной системы гравитационным погромом. Юпитер перескочил глубже внутрь, в то время как остальные внешние планеты выпрыгнули наружу. Такой толчок изогнул бы орбиты планет-гигантов в их нынешнее состояние. Кроме того, это спасло бы внутреннюю часть солнечной системы — Меркурий, Венеру, Землю, Марс и пояс астероидов — от воздействия силы притяжения как со стороны Юпитера, так и Сатурна, которое было еще одной проблемой, возникшей в самых ранних моделях.
|
|
Что приводит нас к удалению из системы Урана или Нептуна. Как раз на этом этапе моделирования Юпитер чаще всего вышвыривает один из ледяных гигантов прочь.
|
|
Это та самая проблема, которую Несворни пытался разрешить, не сломав все остальное в сработавших симуляциях. Лишний ледяной гигант принимает на себя основной удар со стороны Юпитера, давая остальным событиям сценария возможность развернуться беспрепятственно.
|
|
«Это вполне правдоподобно, — говорит Батыгин. — Отнюдь не факт, что всегда существовало именно два ледяных гиганта вместо трех». Напротив, говорит он, некоторые расчеты допускают первоначальное существование вплоть до пяти похожих на Нептун планет.
|
|
Батыгин и его коллеги исследовали этот вопрос параллельно с Несворни, хотя по разным причинам. «Я хотел продемонстрировать, что лишней планеты-гиганта быть не могло», — говорит Несворни.
|
|
Он рассудил, что на своем пути к выходу из Солнечной системы эта предполагаемая планета должна была оставить след кое-где в поясе Койпера, в области, известной как «холодный классический пояс». Если бы пояс Койпера был пончиком, продолжает Батыгин, холодный классический пояс стал бы его шоколадной начинкой — скоплением объектов, чьи орбиты располагаются практически в одной плоскости в пределах пояса Койпера. Проходящая мимо планета должна была нарушить эти орбиты — во всяком случае, так полагали Батыгин и его коллеги.
|
|
Их компьютерные модели показали, что ничего подобного не произошло. К их удивлению, планета-изгнанница не уничтожила бы холодный классический пояс на своем пути вовне. Это не доказывает существование планеты — полученный результат свидетельствует лишь о том, что Солнечная система могла бы существовать в нынешнем виде как с ней, так и без нее. Могла ли эта планета оставить более четкий след? Или, возвращаясь к аналогии с местом преступления, остались ли следы заноса? Несворни думает, что такие следы вполне могли остаться.
|
|
Ядро истины
|
|
Есть и другая часть пояса Койпера — узкий поток ледяных обломков, называющийся ядром, орбиты которого не соответствуют нынешнему положению Нептуна. Его происхождение является загадкой. В 2015 году Несворни утверждал, что, возможно, причиной всему может быть перемещение Нептуна от Солнца, спровоцированное ушедшей планетой.
|
|
По мере того, как Нептун двигался к своей окончательной орбите и выметал мусор на орбиты, сообразные его собственной, в определенный момент он мог подвергнуться воздействию, которое высвободило достаточное количество этого мусора, чтобы тот образовал собственный поток.
|
|
Модели показали, что тот же гравитационный удар, который мог заставить Юпитер перескочить с орбиты на орбиту и вытолкнуть лишнюю планету прочь из Солнечной системы, мог бы произойти в нужный момент, чтобы подтолкнуть и Нептун.
|
|
«В результате получается что-то вроде ядра, — говорит Несворни. — Это косвенное доказательство… оно не является исчерпывающим».
|
|
По правде говоря, мы никогда не будем знать наверняка, что произошло в Солнечной системе в период ее становления. «Мы не можем написать Библию Солнечной системы, — говорит Батыгин. — Мы можем рассказывать об этих событиях лишь в очень общих чертах».
|
|
Если один из обитателей Солнечной системы и вправду оказался изгнан за ее пределы, он в хорошей компании. В последние годы астрономы нашли несколько планет-изгоев, дрейфующих между звездами, которые, скорее всего, тоже были выброшены из родных мест. Если спроецировать результаты этого открытия на остальную галактику, «в ней существует гораздо больше находящихся в свободном полете планет размером с Юпитер, чем звезд» говорит Несворни.
|
|
Это может быть преувеличением — по недавним оценкам, на каждые четыре звезды приходится лишь одна подобная Юпитеру планета — но это все равно миллиарды блуждающих миров. И это только те, что сопоставимы по размеру с Юпитером. Вероятно, наш изгой был меньше — размером примерно с Нептун; и мы понятия не имеем, сколько таких тел бродит по галактике. Но мы знаем, что Вселенная, как правило, благосклоннее к мелким телам, чем к крупным.
|
|
«Держу пари, там их много», — говорит Несворни. Помимо прочего, астрономы обнаружили тысячи звездных систем в Млечном Пути, и многие из них показывают признаки столкновений гораздо большего масштаба, чем то, о котором шла речь выше. «Удивительно то, — считает Несворни, — какой упорядоченной осталась Солнечная система».
|
|
Кристофер Крокетт (Christopher Crockett)
|
|
Источник
|