Этот возможный сценарий был предложен Константином Батыгиным, ученым-планетологом Калифорнийского технологического института, и Грегори Лафлином из Калифорнийского университета в Санта-Крус в статье, опубликованной 23 марта в онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Результаты их расчетов и моделирования предполагают возможность новой картины ранней солнечной системы, которая поможет ответить на ряд нерешенных вопросов о нынешнем составе Солнечной системы и самой Земли.
Например, в новой работе выясняется, почему планеты земной группы в нашей солнечной системе имеют такие относительно низкие массы по сравнению с планетами, вращающимися вокруг других звезд, подобных солнцу.«Наша работа предполагает, что миграция Юпитера вовнутрь-наружу могла уничтожить первое поколение планет и заложить основу для формирования обедненных массой планет земной группы, которые есть в нашей Солнечной системе сегодня», — говорит Батыгин, доцент кафедры планетологии. «Все это прекрасно сочетается с другими недавними достижениями в понимании того, как развивалась Солнечная система, и заполняет некоторые пробелы».Благодаря недавним исследованиям экзопланет — планет в солнечных системах, отличных от нашей, — мы знаем, что около половины подобных солнцу звезд в нашем галактическом районе имеют планеты, вращающиеся по орбите. Однако эти системы не похожи на наши собственные.
В нашей солнечной системе очень немногое находится в пределах орбиты Меркурия; есть только немного обломков — вероятно, околоземные астероиды, которые продвинулись дальше внутрь — но, конечно, нет планет. Это резко контрастирует с тем, что астрономы видят в большинстве планетных систем.
В этих системах обычно есть одна или несколько планет, которые значительно массивнее Земли, которые вращаются ближе к своим солнцам, чем Меркурий, но очень мало объектов на удалении от них.«Действительно, похоже, что Солнечная система сегодня не является обычным представителем галактической планетарной переписи. Вместо этого мы являемся чем-то особенным», — говорит Батыгин. «Но нет никаких оснований полагать, что доминирующий способ формирования планет во всей галактике не должен был происходить здесь.
Более вероятно, что последующие изменения изменили его первоначальный состав».По словам Батыгина и Лафлина, Юпитер имеет решающее значение для понимания того, как Солнечная система стала такой, какая она есть сегодня.
Их модель включает в себя то, что известно как сценарий Grand Tack, который был впервые предложен в 2001 году группой из Лондонского университета королевы Марии, а затем пересмотрен в 2011 году группой из обсерватории Ниццы. В этом сценарии говорится, что в течение первых нескольких миллионов лет существования Солнечной системы, когда планетные тела все еще находились в газовом и пылевом диске вокруг относительно молодого Солнца, Юпитер стал настолько массивным и гравитационно влиятельным, что смог очистить брешь. на диске. И когда солнце притягивало газ диска к себе, Юпитер также начал дрейфовать внутрь, как если бы его несло на гигантской конвейерной ленте.
«Если бы не Сатурн, Юпитер продолжал бы находиться в этом поясе и в конечном итоге был бы сброшен на Солнце», — объясняет Батыгин. Сатурн сформировался вслед за Юпитером, но быстрее потянулся к Солнцу, что позволило ему догнать.
Как только две массивные планеты подошли достаточно близко, они вошли в особый вид отношений, называемый орбитальным резонансом, где их орбитальные периоды были рациональными, то есть выражаемыми как отношение целых чисел. Например, при орбитальном резонансе 2: 1 Сатурн совершит два оборота вокруг Солнца за то же время, которое потребовалось Юпитеру, чтобы сделать один оборот. В таких отношениях два тела начнут оказывать гравитационное влияние друг на друга.«Этот резонанс позволил двум планетам образовать взаимный разрыв в диске, и они начали играть в эту игру, в которой они обменивались угловым моментом и энергией друг с другом, почти в мгновение ока», — говорит Батыгин.
В конце концов, это движение вперед и назад привело бы к выталкиванию всего газа между двумя мирами, что изменило бы направление миграции планет и отправило бы их обратно в Солнечную систему. (Отсюда и «галсовая» часть сценария Grand Tack: планеты мигрируют внутрь, а затем резко меняют курс, что-то вроде лодки, кружащейся вокруг буя.)В более ранней модели, разработанной Брэдли Хансеном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, планеты земной группы удобно оказываются на своих текущих орбитах с их нынешними массами при определенных обстоятельствах — таких, при которых происходят все планетарные строительные блоки внутренней солнечной системы, или планетезимали. заселить узкое кольцо протяженностью от 0,7 до 1 астрономической единицы (1 астрономическая единица — это среднее расстояние от Солнца до Земли) через 10 миллионов лет после образования Солнца.
Согласно сценарию Grand Tack, внешний край этого кольца должен был быть очерчен Юпитером, когда он двигался к Солнцу на своей конвейерной ленте и расчищал разрыв в диске до текущей орбиты Земли.А как насчет внутреннего края? Почему планетезимали должны быть ограничены кольцом внутри? «Этот вопрос не был рассмотрен», — говорит Батыгин.
Он говорит, что ответ может лежать в изначальных суперземлях. Пустая дыра внутренней солнечной системы почти точно соответствует орбитальной окрестности, где суперземли обычно находятся вокруг других звезд. Поэтому разумно предположить, что этот регион был очищен в изначальной солнечной системе группой планет первого поколения, которые не выжили.
Расчеты и моделирование Батыгина и Лафлина показывают, что по мере того, как Юпитер двигался внутрь, он втягивал все планетезимали, с которыми сталкивался на своем пути, в орбитальные резонансы и переносил их к Солнцу. Но по мере приближения этих планетезималей к Солнцу их орбиты также стали эллиптическими. «Вы не можете уменьшить размер своей орбиты, не заплатив цену, и это, оказывается, увеличивает эллиптичность», — объясняет Батыгин. Эти новые, более вытянутые орбиты заставили планетезимали, в большинстве своем радиусом порядка 100 километров, пролететь через ранее непроникающие области диска, вызвав каскад столкновений между обломками.
Фактически, расчеты Батыгина показывают, что в течение этого периода каждая планетезималь сталкивалась бы с другим объектом, по крайней мере, раз в 200 лет, яростно разламывая их и отправляя их распадаться на Солнце с повышенной скоростью.Исследователи провели последнее моделирование, чтобы увидеть, что случилось бы с популяцией суперземель во внутренней части Солнечной системы, если бы они были поблизости, когда начался этот каскад столкновений. Они провели моделирование хорошо известной внесолнечной системы, известной как Кеплер-11, которая включает шесть суперземлей с общей массой в 40 раз больше Земли, вращающихся вокруг звезды, похожей на Солнце.
Результат? Модель предсказывает, что суперземли будут переведены на Солнце распадающейся лавиной планетезималей в течение 20 000 лет.«Это очень эффективный физический процесс», — говорит Батыгин. «Вам нужно всего лишь несколько масс Земли, чтобы загнать планеты на Солнце на десятки масс Земли».
Батыгин отмечает, что, когда Юпитер повернулся, некоторая часть планетезималей, которые он нес с собой, успокоилась бы на круговые орбиты. Лишь около 10 процентов материала, увлеченного Юпитером, нужно было бы оставить, чтобы учесть массу, которая сейчас составляет Меркурий, Венеру, Землю и Марс.С этого момента этим планетезималиям потребуются миллионы лет, чтобы сгруппироваться и в конечном итоге сформировать планеты земной группы — сценарий, который хорошо согласуется с измерениями, предполагающими, что Земля образовалась через 100-200 миллионов лет после рождения Солнца. Поскольку изначальный диск водорода и газообразного гелия к тому времени должен был исчезнуть, это также могло объяснить, почему на Земле отсутствует водородная атмосфера. «Мы сформировались из этих обломков, обедненных летучими веществами», — говорит Батыгин.
И это отличает нас от большинства экзопланет. Батыгин ожидает, что большинство экзопланет, которые в основном являются суперземлями, имеют значительную водородную атмосферу, потому что они сформировались в момент эволюции своего планетного диска, когда газа еще было бы в изобилии. «В конечном итоге это означает, что планеты, действительно похожие на Землю, по своей сути не очень распространены», — говорит он.
В документе также предполагается, что образование газовых планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн — процесс, который, по мнению планетологов, является относительно редким, — играет важную роль в определении того, будет ли планетная система выглядеть чем-то похожим на нашу или больше типовые системы с близкими суперземлями. По мере того, как охотники за планетами идентифицируют дополнительные системы, в которых обитают газовые гиганты, Батыгин и Лафлин получат больше данных, на основе которых они смогут проверить свою гипотезу — чтобы увидеть, как часто другие мигрирующие планеты-гиганты запускают каскады столкновений в своих планетных системах, отправляя первичные суперземли. в их звезды хозяина.
