В Солнечной системе не хватает одной планеты-гиганта: как ее изгнание спасло спутники Юпитера

Орбиты планет вокруг Солнца сегодня стабильны и близки к круговым. Земля, Марс, Юпитер и остальные крупные небесные тела движутся по постоянным путям, практически не отклоняясь от них. Однако астрофизические модели показывают, что так было не всегда. На ранних этапах своей эволюции Солнечная система пережила масштабный период нестабильности.

Примерно четыре миллиарда лет назад планеты-гиганты начали перемещаться со своих первоначальных мест на те орбиты, которые мы видим сейчас. Этот процесс подробно описывается в астрономии так называемой моделью Ниццы. Согласно ей, перемещение планет сопровождалось их сильным сближением друг с другом.

Главная загадка этой эпохи заключается в спутниках планет. У Юпитера и Урана есть крупные семейства лун, которые обращаются по очень ровным, круговым орбитам в плоскости экватора своих планет. Если планеты-гиганты во время своего движения подходили близко друг к другу, их взаимное притяжение неизбежно должно было нарушить движение спутников или столкнуть их между собой. Тем не менее спутники существуют. Группа американских астрофизиков под руководством Мэтью Клемента из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса провела детальные математические расчеты, чтобы выяснить, как спутники смогли перенести эту эпоху.

Почему сближение планет угрожало спутникам

Изначально планеты-гиганты сформировались в гораздо более тесной группе, чем сейчас. Когда их орбиты потеряли стабильность, они начали расходиться в разные стороны. Во время этого процесса планеты сближались друг с другом на опасные расстояния. Расчеты показывают, что гиганты часто проходили на расстоянии менее 15 миллионов километров друг от друга (это около 0,1 астрономической единицы).

В масштабах космоса такое расстояние считается очень близким. Крупные регулярные спутники вращаются близко к своим планетам. Например, четыре главных спутника Юпитера находятся на расстоянии от 400 тысяч до примерно 2 миллионов километров от него. Когда мимо Юпитера на расстоянии 15 миллионов километров пролетает другая тяжелая планета, ее притяжение начинает соперничать с притяжением планеты-хозяина.

Под действием этой внешней силы орбиты спутников резко меняются. Они перестают быть круглыми и вытягиваются в овалы. Луны начинают двигаться по пересекающимся траекториям, что неизбежно ведет к их столкновениям, падению на саму планету или к выбросу в открытый космос.

Компьютерное моделирование выживаемости

Чтобы оценить реальный масштаб угрозы, авторы исследования провели численное моделирование поведения спутников. Они отобрали 122 различных варианта развития событий во внешней части Солнечной системы из базы данных, содержащей около 10 тысяч моделей. Эти варианты были выбраны потому, что они наиболее точно приводили к современному расположению планет.

Затем ученые провели 1464 детальных моделирования того, как вели себя спутники Юпитера и Урана в каждом из этих сценариев под воздействием гравитации других планет и Солнца. Для этих расчетов использовался суперкомпьютер Frontera Техасского центра передовых вычислительных систем. На обработку каждой отдельной симуляции уходило от двух до трех месяцев непрерывной работы компьютера.

Результаты расчетов: критически малые шансы

Расчеты показали, что вероятность выживания спутниковых систем Юпитера и Урана крайне мала:

• Вероятность того, что спутники Юпитера сохранят свои орбиты в ходе перемещения планет, составляет менее 15%.
• Вероятность сохранения спутников Урана также находится на уровне ниже 15%.
• Шанс на то, что спутники обеих планет одновременно уцелеют в одной и той же истории перемещения планет, составляет всего около 1%.

Ученые также определили критические расстояния, при которых спутники гарантированно погибают. Если Уран приближался к другой планете похожего размера (например, к Нептуну) ближе чем на 3 миллиона километров, его луны сталкивались или улетали в пространство в 100% случаев. Если же он сближался с более массивными Юпитером или Сатурном ближе чем на 15 миллионов километров, результат был таким же разрушительным.

При этом опасность представляли не только экстремально близкие пролеты. Даже если планеты проходили мимо друг друга на среднем расстоянии, но делали это несколько раз подряд, их регулярное притяжение постепенно раскачивало орбиты лун, приводя к хаосу через миллионы лет.

Сценарии с пятью и шестью планетами

Ученые сопоставили результаты для двух основных версий ранней Солнечной системы:

1. Пятипланетная модель: когда изначально существовало пять крупных планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и еще один ледяной гигант, который в ходе нестабильности навсегда улетел за пределы Солнечной системы).
2. Шестипланетная модель: когда таких планет изначально было шесть (то есть две лишние ледяные планеты).

Для спутников Юпитера более благоприятным оказался сценарий с шестью планетами. В этом случае лишние ледяные планеты были относительно легкими — примерно в 6-8 раз массивнее Земли. При пролете мимо Юпитера их притяжение было недостаточно сильным, чтобы полностью разрушить его спутниковую систему.

Но для Урана этот же шестипланетный сценарий оказался самым неблагоприятным. Из-за присутствия двух лишних планет период нестабильности затягивался на миллионы лет. Уран переживал множество последовательных сближений с ними. Каждое такое сближение понемногу увеличивало вытянутость орбит его спутников, пока они не начинали пересекаться.

В пятипланетной модели все происходило быстрее. Лишняя планета была тяжелой (в 12-16 раз массивнее Земли) и покидала Солнечную систему очень быстро. Уран в этом случае чаще всего успевал избежать опасных встреч, и его луны оставались невредимыми. Но если эта тяжелая планета все же проходила близко к Юпитеру, она полностью уничтожала его спутниковую систему.

Как сформировались современные луны Урана

Если вероятность одновременного выживания спутников Юпитера и Урана составляет всего 1%, почему сегодня мы видим их у обеих планет?

Для Юпитера ответ кроется в строгом порядке расположения его лун. Ио, Европа и Ганимед находятся в постоянном орбитальном резонансе: время их обращения соотносится как 1:2:4. Если бы эти луны когда-то столкнулись и разрушились, они не смогли бы повторно собраться на тех же орбитах и восстановить этот строгий порядок. Для этого потребовался бы плотный околопланетный диск из газа и пыли, который к моменту перемещения планет уже полностью рассеялся. Это означает, что Юпитеру повезло: в реальной истории он избежал близких встреч с другими гигантами.

Уран находится в другой ситуации. У его спутников нет орбитального резонанса. Поэтому авторы исследования выдвинули гипотезу: современные луны Урана — это не те спутники, которые у него были изначально. Его спутниковая система полностью разрушалась и собиралась заново как минимум два раза.

• Первое разрушение произошло, когда Уран столкнулся с крупным зародышем планеты. Этот удар наклонил ось вращения планеты на 98 градусов. Старые спутники при этом разрушились, а из их обломков вокруг экватора планеты сформировалось второе поколение лун.
• Второе разрушение случилось уже во время перемещения планет-гигантов. Притяжение пролетающих мимо планет раскачало орбиты второго поколения спутников Урана, и они начали врезаться друг в друга на скоростях от 500 до 2000 метров в секунду.

Физика этих столкновений указывает на то, что они происходили по касательным траекториям. Тела задевали друг друга на высокой скорости и разлетались на части. При таких ударах выделялось огромное количество тепла, из-за чего лед, из которого состояли луны, активно испарялся. Часть этого пара терялась в космосе, а оставшиеся каменные и ледяные обломки со временем снова объединились под действием собственной гравитации.

Эта гипотеза объясняет особенности Миранды — самой маленькой и близкой к Урану крупной луны. Ее поверхность покрыта глубокими разломами, а сама она состоит преимущественно из легкого водяного льда (каменные породы составляют всего около 23% ее массы, тогда как у соседних лун — около 50%). Вероятно, Миранда собралась из легких ледяных остатков, которые дольше всего объединялись на орбите после завершения периода хаоса.

Научное значение исследования

Долгое время в планетологии считалось, что спутниковые системы планет-гигантов — это неизменные структуры, сохранившиеся в первозданном виде с момента рождения Солнечной системы. Новое исследование опровергает это представление.

Спутники планет оказались динамичными и уязвимыми системами. Они могут разрушаться и собираться заново из собственных обломков под воздействием гравитации пролетающих мимо тел. Стабильность орбит, которую мы наблюдаем сегодня, — это лишь результат долгого затишья после масштабных катастроф прошлого. Орбиты и химический состав лун могут рассказать не только о том, как они родились, но и о том, через какие столкновения им пришлось пройти на пути к современному состоянию.

Источник: arXiv