23.02.2023. - Что произойдет, если в Солнечной системе появится суперземля

Что произойдет, если в Солнечной системе появится суперземля

В эпоху открытия экзопланет астрономы обнаружили более 5000 подтвержденных экзопланет, еще тысячи ожидают подтверждения и еще многие миллиарды ждут своего открытия. Эти экзопланеты существуют в ошеломляющем спектре размеров, составов, периодов обращения и почти всех других характеристик, которые можно измерить. Изучение их также пролило свет на нашу Солнечную систему. Раньше мы думали об этом как об архетипическом расположении планет, поскольку это все, что нам нужно было делать. Но теперь мы знаем, что можем быть исключением, потому что у нас нет суперземли. Суперземли — это класс планет, которые распространены вокруг других звезд. Они определяются только массой, от двух до 10 масс Земли. Несмотря на то, что охотники за планетами нашли более 1500 из них, в нашей Солнечной системе нет ни одного. Поскольку в нашей Солнечной системе отсутствует один из этих репрезентативных типов, планетарным ученым трудно понять суперземли в других системах.

Архитектура нашей Солнечной системы немного отличается от того, что астрономы видят вокруг других звезд. Такие системы, как Kepler-11, имеют несколько планет в компактных системах на долговременных стабильных орбитах намного ближе к звезде. Взаимодействия между столь плотно упакованными планетами должны способствовать орбитальной нестабильности, но планеты Kepler-11 могут оставаться стабильными в течение миллиардов лет. Самая маленькая планета в системе, Kepler-11f, по-прежнему в 2,5 раза массивнее Земли. В других системах, таких как HD 20782, есть планеты с экстремальным эксцентриситетом орбиты. HD 20782 b имеет одну из самых эксцентричных орбит. Его эксцентриситет составляет 0,97, что является чрезвычайно высоким показателем, поскольку эксцентриситет 1,00 является орбитой ухода. (Для сравнения, эксцентриситет Земли равен 0,016, где 0 — круговая орбита.) В результате HD 20782 b испытывает резкие перепады температуры, когда движется из внутренней Солнечной системы во внешнюю по своей 585-дневной орбите.

Один опытный планетолог хотел узнать, что произойдет, если в нашей Солнечной системе действительно будет суперземля. Как это изменит нашу Солнечную систему? Приведет ли суперземля нашу солнечную систему в большее соответствие с некоторыми другими системами, которые мы видим в Млечном Пути? Будет ли наша Солнечная система вообще узнаваема? Чтобы выяснить это, он создал симуляцию суперземли в симуляции нашей Солнечной системы. Его зовут Стивен Кейн, и он профессор планетарной астрофизики в Калифорнийском университете. Статья называется «Динамические последствия появления суперземли в Солнечной системе», и Кейн является единственным автором. Газета еще не прошла рецензирование. В своей статье Кейн указывает на разницу в размерах и массе нашей Солнечной системы и на то, что это значит для исследователей. Без суперземли, которая находится между Землей и массой Нептуна, сложно поместить нашу систему в контекст. Трудно смоделировать, как формируются эти планеты и каков их состав.

Может быть несколько причин, по которым в нашей системе нет суперземли. Ранняя миграция Юпитера и Сатурна, возможно, сыграла свою роль, поглотив массу, которая могла аккрецироваться на Земле или Марсе, и превратив их в суперземли. Без нашей собственной суперземли для изучения у исследователей остается много вопросов. «Тем не менее, — пишет Кейн, — полезно исследовать динамические последствия дополнительной планетарной массы в Солнечной системе, чтобы ограничить текущие теории формирования и изучить последствия для общей архитектуры планетарных систем». Подробные компьютерные модели и симуляции являются важной частью астрономии, и с течением времени они становятся все более подробными и мощными. Исследователи изменяют входные данные, чтобы увидеть, как такие вещи, как солнечные системы и планеты, формируются и ведут себя в разных условиях. В этой работе Кейн поместил суперземлю в нашу Солнечную систему, чтобы посмотреть, что произойдет.

«В этой статье мы представляем результаты динамического исследования, которое помещает дополнительную планету земного типа в диапазон масс от одной до 10 масс Земли и диапазон большой полуоси 2–4 а.е. в рамках текущей архитектуры Солнечной системы», — пишет Кейн. Кейн добавил планеты с массой от 1 до 10 масс Земли с шагом в 1 массу Земли. Он разместил планету в разных начальных положениях на круговых орбитах. Орбиты были в одной плоскости с земными, а большая полуось колебалась от 2 до 4 астрономических единиц (а.е.) с шагом 0,01 а.е. «Это привело к нескольким тысячам симуляций, где каждая симуляция могла работать в течение 107 лет, начиная с нынешней эпохи, и орбитальная конфигурация выводилась каждые 100 лет симуляции», — объясняет Кейн. Моделирование показало, что внутренние планеты были более подвержены нестабильности из-за добавления Суперземли, чем внешние планеты. «Широкая область 2–4 а.е. содержит множество мест MMR (резонанс среднего движения) с внутренними планетами, которые еще больше усиливают хаотическую эволюцию внутренней Солнечной системы», — говорится в документе.

«Хаотическая эволюция» — это мягко сказано. Добавление суперземли меняет отношения между планетами и меняет всю архитектуру внутренней Солнечной системы. «Для этого примера орбиты всех четырех внутренних планет становятся настолько нестабильными, что они удаляются из системы до завершения 107-летнего моделирования». Бедный Марс прошел только половину симуляции, прежде чем его выбросили. Меркурий прошел только одну треть пути моделирования, прежде чем вступил во взаимодействие с Венерой и Землей, и их увеличивающийся эксцентриситет передал угловой момент орбите Меркурия, отбросив его. В другом прогоне симуляции Кейн поместил суперземлю с массой в восемь земных масс на расстоянии 3,7 а.е. Это привело к небольшому первоначальному увеличению эксцентриситетов Земли и Венеры, которые затем, в сочетании с влиянием Юпитера, так сильно нарушили орбиту Меркурия, что он снова был быстро выброшен. Затем катастрофическое удаление Меркурия изменило Землю и Венеру, придав угловой момент их орбитам. «Это приводит к существенной периодической эволюции их орбит с высокочастотными и низкочастотными вариациями их эксцентриситетов», — пишет Кейн.

Орбита Марса в этом сценарии относительно не затронута, хотя ее эксцентриситет «подвергается высокочастотным колебаниям из-за взаимодействия с внешними планетами». Внешняя Солнечная система также изменилась, хотя и не так сильно. Когда симуляция поместила планету с массой в семь земных масс на расстояние 3,79 а.е., поначалу ничего особенного не произошло. Но в конце концов происходят кардинальные изменения. Орбита суперземли меняется, и ее большая полуось достигает 30 астрономических единиц. Примерно через 4 миллиона лет суперземля выбрасывается из системы. Его выброс передает угловой момент, и это оказывает «существенное влияние на эксцентриситеты Сатурна, Урана и Нептуна», объясняет Кейн. В другом моделировании внедренная суперземля также имела семь масс Земли, а AU изменилась лишь незначительно, с 3,79 до 3,8. Суперземля снова была выброшена, а Юпитер и Сатурн испытали повышенный эксцентриситет. Небольшое изменение также вызвало потерю Урана.

Кейн выполнил несколько тысяч запусков моделирования, и в зависимости от параметров некоторые из внутренних планет были выброшены, как и имплантированная суперземля. В других архитектурах ледяные гиганты также были выброшены. Но изгнание — это только один из исходов, хотя и самый крайний. Моделирование показало, что присутствие суперземли может сделать орбиты других планет более эксцентричными. Это может нанести ущерб климату планеты, поскольку температура сильно колеблется в зависимости от того, где планета находится на своей эксцентрической орбите. «Эти взаимодействия приводят к колебаниям большой амплитуды эксцентриситетов орбит Венеры и Земли, создавая циклы Миланковича, которые потенциально могут влиять на долгосрочный климат этих планет», — заключает Кейн.

Существует много суперземель, и остается открытым вопрос, насколько сильно их присутствие влияет на обитаемость в других системах. Если это исследование является каким-либо указанием, это вопрос, который необходимо изучить. «Зависимость планетарного климата от орбитальных взаимодействий с суперземлями потребует дополнительных атмосферных данных и моделирования, чтобы определить, может ли присутствие таких планет (или их отсутствие) предпочтительно приводить к климатическим эффектам, обусловленным эксцентриситетом», — объясняет автор.

В предыдущие десятилетия астрономы использовали архитектуру нашей Солнечной системы для разработки моделей формирования и архитектуры Солнечной системы. Но теперь мы знаем, что наша Солнечная система не является репрезентативной для того, что там есть, особенно когда речь идет о суперземлях. Разница может быть связана с тем, как мигрировали планеты-гиганты. «В частности, эти события миграции гигантских планет, возможно, повлияли на процессы формирования земных планет во внутренней части Солнечной системы и прервали формирование наиболее распространенного типа планет, обнаруженных до сих пор: суперземли», — говорится в документе.

Гипотеза большого пути показывает, как Юпитер сформировался на расстоянии 3,5 а.е., мигрировал внутрь на 1,5 а.е., а затем обратно на 5,2 а.е. Король планет, перемещающийся по Солнечной системе, повлиял бы на все вокруг. Это могло создать каскад столкновений между объектами во внутренней части Солнечной системы, выбрасывая вещество на Солнце, которое могло бы сформировать супер-Землю. Некоторые исследователи считают, что в нашей системе действительно существовала суперземля в далеком прошлом, которая погибла на Солнце. Кейн называет отсутствие у нас суперземли обоюдоострым мечом. С одной стороны, у нас нет возможности изучать суперземлю так внимательно, как мы можем изучать планеты земной группы, газовые гиганты или ледяные гиганты. Но присутствие суперземли могло полностью изменить Солнечную систему и потенциально могло стать катастрофой для жизни.

«Наши результаты показывают динамическую хрупкость нашей существующей планетарной конфигурации, что позволяет более подробно изучить эту конфигурацию в более широком контексте архитектур планетарных систем», — пишет Кейн. Основная цель работы — провести сравнение между нашей собственной «странной» системой и множеством других солнечных систем, содержащих суперземли. «Изучение орбит этих систем как с индивидуальной, так и со статистической точки зрения продемонстрирует истинные последствия разделения динамического пространства с суперземной планетой», — заключает он.

Источник