Солнечная система, происхождение и развитие, часть 2
Originally posted by _hellmaus_ at Солнечная система, происхождение и развитие, часть 2
(предыдущая часть)
Юзеру antihydrogen от меня безграничная
благодарность за наводку на "Модель из
Ниццы" и вообще за вдохновение
Как мы видели, между моделями происхождения Солнечной системы из газо-пылевого диска и реальной Солнечной системой есть ряд нестыковок:
- при образовании планет земной группы из зародышей орбиты планет в моделях получаются более вытянутые и наклонные, чем в реальности
- Марс в моделях оказывается крупнее, чем в реальности, часто - самой крупной планетой земной группы
- осевое вращение планет земной группы определяется случайными событиями столкновения планетарных зародышей и в моделях оси вращения планет ориентированы случайно. В реальности оси вращения Меркурия и Венеры практически перпендикулярны к плоскости орбиты, а Земли и Марса - отклоняются от перпендикуляра не более чем на 30 градусов. Кроме того, реальное осевое вращение Меркурия и Венеры необъяснимо медленное.
- при образовании планет-гигантов начало накопления газа (который, как мы помним, вращается со скоростью меньше орбитальной) должно приводить к быстрому (в течение тысяч лет) приближению планеты к Солнцу, которое может остановиться только при достижении свободной от газа ближней окрестности Солнца, то есть внутри орбиты Меркурия.
- в районе орбиты Нептуна не должно было быть достаточно материала для формирования планеты такой массы
Первое затруднение связано с ограничениями численного моделирования. Чтобы вычисления заняли разумное время, приходится ограничивать число моделируемых объектов, при этом из рассмотрения выпадают мелкие планетезимали и обломки, образующиеся при столкновении планетарных зародышей. Масса этих мелких тел хотя и меньше, чем масса моделируемых планетарных зародышей, но сравнима (различие в 2-5 раз по разным оценкам). Взаимодействие растущих планет с мелкими телами вызывает «динамическое трение», приводящее к скруглению и уменьшению наклонения орбит планет, а мелкие тела при этом выбрасываются в пояс астероидов.
Причины различия массы Марса между моделями и реальностью пока непонятны. Историю осевого вращения планет земной группы мы рассмотрим в конце главы. А два последних расхождения между моделями формирования планет и реальностью недавно получили блестящее объяснение в рамках так называемой «модели из Ниццы», по месту работы ее авторов, опубликованной в трех статьях в журнале Nature (Gomes и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03676; Tsiganis и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03539; Morbidelli и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03540 ). Эта модель объясняет так же другие особенности Солнечной системы - количество и параметры орбит неправильных спутников планет-гигантов, орбиты объектов пояса Койпера, комет, астероидов-троянцев, а так же «позднюю тяжелую бомбардировку» через резонансные взаимодействия Юпитера и Сатурна в первый миллиард лет существования Солнечной системы.
Поздняя тяжелая бомбардировка и миграции планет-гигантов
Поверхность Луны, Меркурия и в меньшей степени Марса покрыта ударными кратерами. Измерение возраста лунных кратеров показало, что большинство из них появились практически одновременно, 3,9 млрд лет назад - примерно через 650 млн лет после начала образования Солнечной системы. На Земле следы этой бомбардировки были стерты последующей геологической активностью. Распределение размеров кратеров показывает, что больщая часть массы выпадавших тел приходится на объекты размером 1-50 км, то есть планетезимального размерного класса. Причины такого резкого повышения количества столкновений через 500 млн лет после окончания формирования планет земной группы и стабилизации пояса астероидов долгое время были непонятны.
Модели формирования планет-гигантов указывают на неизбежность миграции к Солнцу при быстром накоплении газа. В 2000-ые годы уже было понятно, что это не фантазия теоретиков - были открыты многочисленные «горячие Юпитеры» у других звезд.
Температура этих планет может превышать 2000 градусов, а период обращения вокруг звезды измеряться часами.
Миграция планеты-гиганта приводит к рассеиванию планетезималей и не позволяет образоваться планетам земного типа. Впрочем, если миграция происходит в течение менее 10 000 лет, то заметная часть скальных планетезималей остается во внутренней части системы, и к ним добавляются ледяные планетезимали из внешних областей. В этом случае в обитаемой зоне возможно образование водяных планет - с массой 1-5 масс Земли и покрытых океаном толщиной сотни километров. Такие планеты тоже были обнаружены у других звезд.
Следовательно, модели формирования планет-гигантов верны хотя бы для части планетных систем, а для описания нашей Солнечной системы надо вводить дополнительные механизмы, предотвратившие миграцию планет к Солнцу.
Одна из подсказок также была получена из исследований экзопланет - «горячие Юпитеры» часто являются единственной гигантской планетой в системе, а у нашего Солнца планет-гигантов четыре. Возможно, дело в их взаимодействии?
Расчеты показали, что несколько планет-гигантов действительно могут удерживать друг друга от падения к Солнцу. Однако, для этого необходимо, чтобы их орбиты были гораздо ближе друг к другу, чем в реальности. В этом случае Юпитер и Сатурн в процессе быстрого накопления газа проделывают в газовом диске общее разреженное кольцо. Сатурн не мигрирует внутрь, так как внутри от него газ уже поглощен Юпитером, а миграция Юпитера останавливается, когда его радиус орбиты уменьшается до 2/3 радиусов орбиты Сатурна. Планеты оказываются в орбитальном резонансе, который предотвращает дальнейшую миграцию каждой из них.
Для системы из четырех планет миграция тоже останавливается, если орбиты планет были близки друг к другу. Моделирование показало наличие шести устойчивых конфигураций, общей чертой которых является орбитальный резонанс 3:2 между Юпитером и Сатурном.
Авторы «модели из Ниццы» начали с попытки объяснить строение пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку и согласовать устойчивые конфигурации планет-гигантов с наблюдаемой в реальности, где Юпитер и Сатурн близки к резонансу 5:2, и все расстояния между планетами-гигантами гораздо больше, чем в устойчивых конфигурациях.
Рисунок. Орбиты планет-гигантов к моменту рассеивания межпланетного газа (слева), в период поздней метеоритной бомбардировки (в центре) и современные (справа). Орбиты Юпитера, Сатурна Урана и Нептуна обозначены зеленым, оранжевым, голубым и синим, соответственно. Белые точки - объекты пояса Койпера. (Источник - en.wikipedia.org)
Во всех этих конфигурациях радиус орбиты внешней планеты-гиганта не превышает 17 а.е. (астрономических единиц, 1 а.е. = 150 млн км - радиус орбиты Земли). Для сравнения, современная орбита Нептуна проходит в районе 30 а.е. от Солнца. Причиной изменения орбит планет в модели из Ниццы является обширный, плотный древний пояс Койпера, состоящий из ледяных планетезималей общей массой примерно 35 масс Земли. Близкие проходы планетезималей около Урана и Нептуна переводят планетезимали на более близкие к Солнцу и более вытянутые орбиты, а орбиты планет, напротив, отдаляются от Солнца. Заброшенные внутрь планетезимали далее проходят вблизи Сатурна, расширяя и его орбиту. Близкие встречи с Юпитером приводят к другим последствиям - планетезимали оказываются выброшены из Солнечной системы либо переходят на очень вытянутые эллиптические орбиты с огромными периодами обращения, переходя в облако Оорта. Часть планетезималей попадает на орбиты, проходящие близко к Солнцу, где сталкивается с планетами земной группы. Обмен импульсом между Юпитером и выброшенными планетезималями приводит к тому, что Юпитер, в отличие от других планет-гигантов, немного приближается к Солнцу. Наконец, примерно через 500-600 млн. лет смещение Сатурна наружу и Юпитера внутрь приводит к тому, что они попадают в дестабилизирующий резонанс 1:2. Орбиты Юпитера и Сатурна становятся эллиптическими и приводят к близким проходам Сатурна и двух внешних планет. Их орбиты, в свою очередь, тоже вытягиваются. Нептун быстро начинает проходить в густонаселенной части пояса Койпера, и поток планетезималей во внутренние области Солнечной системы возрастает тысячекратно. На планетах земной группы в это время происходит поздняя метеоритная бомбардировка. Динамическое трение Нептуна в поясе Койпера приводит к тому, что его орбита опять скругляется, но на гораздо большем расстоянии от Солнца. Радиус орбиты Сатурна тоже растет и он уходит от резонанса 1:2 к безопасному резонансу 2:5. Пояс Койпера разрушается, его ледяные объекты частью выброшены из Солнечной системы, частью столкнулись с планетами и спутниками, частью перешли на вытянутые кометные орбиты или в облако Оорта. В поясе Койпера остается около 1% его первоначальной массы. В процессе миграции Юпитера внутрь и во время резонанса 2:1 с Сатурном пояс астероидов опять дестабилизируется, астероиды рассеиваются ближе и дальше к Солнцу и тоже вносят вклад в позднюю метеоритную бомбардировку внутренних планет. Это вторая стадия обеднения пояса астероидов, в процессе которого его масса падает примерно с 1% до 0,1% массы Земли.
Некоторые ледяные планетезимали из пояса Койпера оказываются в итоге на стабильных орбитах во внешней части пояса астероидов. Вероятно, таково происхождение астероидов семейства Хильды, которые по своим спектрам напоминают кометные ядра и троянцы. Не исключено, что Церера, крупнейший объект пояса астероидов, тоже происходит из пояса Койпера. Мы узнаем это в марте-апреле 2015 года, когда к Церере прибудет зонд "Dawn".
Модель из Ниццы предсказывает, что Нептун до момента поздней метеоритной бомбардировки с большой вероятностью был ближе к Солнцу, чем Уран, что согласуется и с большей массой Нептуна. Предсказываемые близкие прохождения планет-гигантов объясняют происхождение неправильных спутников - это были пролетавшие мимо планетезимали, которые были гравитационно захвачены при прохождении мимо двух планет. Еще одна странная деталь Солнечной системы, получающая объяснение в рамках этой модели - астероиды-троянцы. Это мелкие объекты, которые движутся по орбитам Юпитера и Нептуна на 60 градусов окружности впереди и позади планет, в так называемых Лагранжевых точках L4 и L5. В настоящее время они находятся в устойчивом равновесии: троянцы не могут покинуть свои орбиты под воздействием других планет, но и новые тела не могут попасть в их ряды. Однако в момент резонанса 1:2 Сатурна и Юпитера объекты в точках L4 и L5 были неустойчивы. Мигрирующие планетезимали могли входить и выходить в эти точки, но после выхода Юпитера из резонанса с Сатурном оставшиеся астероиды были заперты там на миллиарды лет.
Поздняя метеоритная бомбардировка заметно изменила Землю. С падавшими ледяными кометами и астероидами Земля получила заметное количество воды, органические вещества, металлы-сидерофилы. К последним относятся хорошо растворимые в железе металлы, которые при образовании Земли из планетарных зародышей были сконцентрированы в ядре. Это, например, золото, платина, платиноиды, рений, вольфрам. Благодаря метеоритной бомбардировке месторождения этих металлов встречаются и в земной коре. Метеоритная органика, подобно сидерофилам, тоже обильно попадала на Землю в начале ее формирования, но была разрушена во время эпизодов «океана магмы» после падения крупнейших планетарных зародышей. Во время поздней бомбардировки размеры падающих тел были меньше, выделявшиейся при ударах энергии хватало максимум на испарение океанов, и новая порция органики пережила доставку на Землю.
Доля воды, доставленной на Землю кометами во время поздней бомбардировки, не превышает 5% от объема современных океанов. Это следует из изотопного состава: кометный лед обогащен дейтерием в два раза по сравнению с водами Земли, которая в свою очередь находится в середине разброса изотопного состава воды разных хондритных метеоритов (Morbidelli и др, 2000. «Meteoritics and Planetary Science» 35 doi: 10.1111/j.1945-5100.2000.tb01518.x). Следовательно, большая часть воды на Земле принесена с хондритными метеоритам и планетезималями, происходящими из района пояса астероидов.
Эволюция системы Земля-Луна
Радиус лунной орбиты увеличивается из-за приливного взаимодействия с Землей. Момент вращения Земли передается Луне, при этом Луна отодвигается от Земли, а вращение Земли замедляется. Часть энергии вращения при этом рассеивается в тепло. Скорость передачи вращения Луне сильно зависит от приливного трения - меры сопротивления Земли приливным движениям океана и мантии.
Современные измерения при помощи лазерных дальномеров показали, что Луна отдаляется от Земли со скоростью около 3,5 см в год. Расчитаное из этих данных приливное трение получается довольно большим, и получается, что возраст Луны не может превышать 1,5 млрд лет, что противоречит изотопным датировкам и другим данным. В распоряжении ученых есть так же данные о скорости вращения Земли за последние 600 млн лет, полученные путем изучения суточных и годовых колец прироста кораллов, а так же подсчета слоев ритмитов - отложений морских осадков, оставленных приливно-отливными течениями. Эти данные показывают, что темпы замедления вращения Земли колебались в несколько раз в разные эпохи. Колебания связаны с изменением расположения материков и океанов. Мелководные моря тормозят приливную волну сильнее, чем глубокие океаны. Современное расположение материков, перекрывающих экватор в трех местах, тормозит приливную волну гораздо больше, чем было, например, в палеогене - с океаном Тетис между Евразией и Африкой и с широким проливом между Северной и Южной Америкой.
Самая полная последовательность ритмитов, отлагавшаяся в течение 60 лет в позднем протерозое (620 млн. лет назад), известна из формаций Рейнелла и Элатина в Австралии (Williams, 2000, «Reviews of Geophysics», 38(1), doi: 10.1029/1999RG900016). Она показывает, что в ту эпоху продолжительность суток составляла 21,8 часа, а радиус лунной орбиты был на 6% меньше современного. Для более древних эпох такие отложения, к сожалению, неизвестны.
Осевое вращение планет земной группы и особенности Венеры и Меркурия
Как мы упоминали выше, одной из проблем современных моделей образования Солнечной системы является осевое вращение планет земной группы.
Вращение планет-гигантов имеет однозначное происхождение: оно определяется в основном вращением падавшего в них газа в период лавинообразного накопления, которое в свою очередь связано с исходным вращением протопланетного диска. Поэтому Юпитер и Сатурн вращаются в одну сторону с периодом около 10 часов. Периоды вращения большинства крупных астероидов тоже близки к этому значению, и происхождение этого вращения аналогичное - из газового вихря, в центре которого росла планетезималь (Pravec, Harris и Michalowski, 2002, в сборнике «Asteroids III» под редакцией Bottke, Cellino, Paolicchi, Binzel. Univ. Arizona Press, Tucson, pp. 113-122). Плохо понятно происхождение вращения Урана и Нептуна - их периоды практически равны и составляют около 16 часов, но ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Вращение планет земной группы при их образовании из планетезималей и планетарных зародышей должно было сильно и непредсказуемо измениться при столкновениях планетарных зародышей. Наклонения планет в итоге должны быть случайными, периоды вращения - тоже, в пределах от нескольких часов до нескольких суток, со средним значением в районе тех же 10 часов. Однако, из четырех планет земной группы две (Земля и Марс) имеют наклонения в пределах 30 градусов и периоды вращения около 23-25 часов, а Венера и Меркурий - малые наклонения и огромные периоды вращения 243 и 59 суток. Хуже того, Венера вращается в обратную сторону. Теоретически Венера могла получить обратное вращение за счет удачных направлений скользящих ударов в процессе образования, но ось вращения тогда была бы направлена куда попало.
В случае Земли из закона сохранения момента вращения можно расчитать, что сразу после образования Луны на орбите высотой 25-30 тысяч км период вращения Земли должен был быть около 6 часов. Это лучше согласуется со «средним по системе» 10-часовым периодом вращения. У Марса подобных тормозящих спутников нет, Фобос немного ускоряет осевое вращение Марса, но его влияние пренебрежимо мало. С Венерой и Меркурием же ситуация совершенно непонятная.
Возможно, их медленное вращение - это результат приливного торможения? Но обе планеты не имеют спутников, а приливное торможение Солнца вроде бы недостаточно сильно, особенно для Венеры. Есть, однако, старая, еще 19 века гипотеза, что Меркурий когда-то в древности был спутником Венеры. Так как его масса в 5 раз больше массы Луны, то и приливные эффекты должны быть мощнее. Численное моделирование системы Венера-Меркурий (Van Flandern, Harrington, 1976, «Icarus» 28(4), doi: 10.1016/0019-1035(76)90116-0) показывает, что при сравнимом с Землей приливном трении в коре Венеры Меркурий должен был за 0,5 - 1,5 млрд лет отдалиться от Венеры на расстояние около 450 тысяч км и перейти на эллиптическую околосолнечную орбиту. При этом период осевого вращения Меркурия к моменту расставания с Венерой должен был составлять около 40 суток, период вращения Венеры - меньше, порядка 20 суток. Опасных сближений Меркурия с Венерой в дальнейшем не происходит. Последующее замедление вращения Меркурия и скругление орбиты объясняется приливным взаимодействием с Солнцем, однако, эксцентриситет (мера вытянутости) его орбиты остается самой большой из всех планет.
Гипотеза о Меркурии как бывшем спутнике Венеры объясняет сильную потерю вращения этими планетами и вытянутость орбиты Меркурия, но вызывает новые сложные вопросы. Например, орбита Меркурия после расставания с Венерой оказывается гораздо больше, чем в реальности, и нет никаких причин к уменьшению ее размеров. Непонятно, как могла образоваться система Венера-Меркурий. Меркурий слишком велик, и главное, слишком богат железом, чтобы подобно Луне сформироваться из обломков, выброшенных при косом столкновении планетарного зародыша с Венерой. Возможно, если удар был совсем скользящим, то планетарный зародыш полетел дальше, оставив на Венере часть своей силикатной мантии, но в таком случае он должен был бы упасть на планету окончательно на следующем обороте. Условия для захвата спутника при скользящем столкновении пока не удалось подобрать.
Другое возможное объяснение изменения осей вращения планет - их слабые приливные взаимодействия друг с другом, накапливающиеся за миллионы лет. Расчеты этих взаимодействий (Laskar и Robutel, 1993. «Nature» 361(6413), doi: 10.1038/361608a0) показывают, что в широком диапазоне периодов обращения (приблизительно от 100 до 400 часов для Меркурия и от 20 до 100 часов для Венеры) положение оси вращения испытывает хаотические колебания на промежутках времени в миллионы лет, при этом наклоенние может изменяться от 0 до 90 градусов. Следовательно, когда периоды вращения Меркурия и Венеры проходили эти диапазоны, положение их осей изменилось и стерло все следы исходного положения. Когда приливное трение Солнца затормозило их вращение сильнее и вывело из диапазона неустойчивости, наклонения Меркурия и Венеры перестали изменяться и застыли на современных значениях.
Для Марса аналогичные хаотические колебания наклонения от 0 до примерно 60 градусов должны происходить и при его современном периоде вращения (24,5 часов), и мы не видим их только из-за большой длительности. Впрочем, свидетельства этих колебаний могут быть найдены при изучении геологии и климата Марса. Земля формально тоже находится в зоне неустойчивости, но наличие Луны подавляет колебания наклонения земной оси, благодаря чему климат Земли на протяжении миллиардов лет был более устойчив, чем климаты прочих планет.
Дальнейшее торможение Венеры и переход к обратному вращению мог быть вызван процессами в ее атмосфере. Атмосфера Венеры, по данным космических зондов, вращается в ту же сторону, что и сама планета, но гораздо быстрее - основная масса атмосферы совершает один оборот за трое суток. Таким образом, на поверхности Венеры постоянно дует западный ветер, который за миллиарды лет мог придать планете обратное вращение. Причину такого вращения атмосферы мы пока не знаем.
(продолжение следует)
(предыдущая часть)
Юзеру antihydrogen от меня безграничная
благодарность за наводку на "Модель из
Ниццы" и вообще за вдохновение
Как мы видели, между моделями происхождения Солнечной системы из газо-пылевого диска и реальной Солнечной системой есть ряд нестыковок:
- при образовании планет земной группы из зародышей орбиты планет в моделях получаются более вытянутые и наклонные, чем в реальности
- Марс в моделях оказывается крупнее, чем в реальности, часто - самой крупной планетой земной группы
- осевое вращение планет земной группы определяется случайными событиями столкновения планетарных зародышей и в моделях оси вращения планет ориентированы случайно. В реальности оси вращения Меркурия и Венеры практически перпендикулярны к плоскости орбиты, а Земли и Марса - отклоняются от перпендикуляра не более чем на 30 градусов. Кроме того, реальное осевое вращение Меркурия и Венеры необъяснимо медленное.
- при образовании планет-гигантов начало накопления газа (который, как мы помним, вращается со скоростью меньше орбитальной) должно приводить к быстрому (в течение тысяч лет) приближению планеты к Солнцу, которое может остановиться только при достижении свободной от газа ближней окрестности Солнца, то есть внутри орбиты Меркурия.
- в районе орбиты Нептуна не должно было быть достаточно материала для формирования планеты такой массы
Первое затруднение связано с ограничениями численного моделирования. Чтобы вычисления заняли разумное время, приходится ограничивать число моделируемых объектов, при этом из рассмотрения выпадают мелкие планетезимали и обломки, образующиеся при столкновении планетарных зародышей. Масса этих мелких тел хотя и меньше, чем масса моделируемых планетарных зародышей, но сравнима (различие в 2-5 раз по разным оценкам). Взаимодействие растущих планет с мелкими телами вызывает «динамическое трение», приводящее к скруглению и уменьшению наклонения орбит планет, а мелкие тела при этом выбрасываются в пояс астероидов.
Причины различия массы Марса между моделями и реальностью пока непонятны. Историю осевого вращения планет земной группы мы рассмотрим в конце главы. А два последних расхождения между моделями формирования планет и реальностью недавно получили блестящее объяснение в рамках так называемой «модели из Ниццы», по месту работы ее авторов, опубликованной в трех статьях в журнале Nature (Gomes и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03676; Tsiganis и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03539; Morbidelli и др, 2005. «Nature» 435(7041), doi: 10.1038/nature03540 ). Эта модель объясняет так же другие особенности Солнечной системы - количество и параметры орбит неправильных спутников планет-гигантов, орбиты объектов пояса Койпера, комет, астероидов-троянцев, а так же «позднюю тяжелую бомбардировку» через резонансные взаимодействия Юпитера и Сатурна в первый миллиард лет существования Солнечной системы.
Поздняя тяжелая бомбардировка и миграции планет-гигантов
Поверхность Луны, Меркурия и в меньшей степени Марса покрыта ударными кратерами. Измерение возраста лунных кратеров показало, что большинство из них появились практически одновременно, 3,9 млрд лет назад - примерно через 650 млн лет после начала образования Солнечной системы. На Земле следы этой бомбардировки были стерты последующей геологической активностью. Распределение размеров кратеров показывает, что больщая часть массы выпадавших тел приходится на объекты размером 1-50 км, то есть планетезимального размерного класса. Причины такого резкого повышения количества столкновений через 500 млн лет после окончания формирования планет земной группы и стабилизации пояса астероидов долгое время были непонятны.
Модели формирования планет-гигантов указывают на неизбежность миграции к Солнцу при быстром накоплении газа. В 2000-ые годы уже было понятно, что это не фантазия теоретиков - были открыты многочисленные «горячие Юпитеры» у других звезд.
Температура этих планет может превышать 2000 градусов, а период обращения вокруг звезды измеряться часами.
Миграция планеты-гиганта приводит к рассеиванию планетезималей и не позволяет образоваться планетам земного типа. Впрочем, если миграция происходит в течение менее 10 000 лет, то заметная часть скальных планетезималей остается во внутренней части системы, и к ним добавляются ледяные планетезимали из внешних областей. В этом случае в обитаемой зоне возможно образование водяных планет - с массой 1-5 масс Земли и покрытых океаном толщиной сотни километров. Такие планеты тоже были обнаружены у других звезд.
Следовательно, модели формирования планет-гигантов верны хотя бы для части планетных систем, а для описания нашей Солнечной системы надо вводить дополнительные механизмы, предотвратившие миграцию планет к Солнцу.
Одна из подсказок также была получена из исследований экзопланет - «горячие Юпитеры» часто являются единственной гигантской планетой в системе, а у нашего Солнца планет-гигантов четыре. Возможно, дело в их взаимодействии?
Расчеты показали, что несколько планет-гигантов действительно могут удерживать друг друга от падения к Солнцу. Однако, для этого необходимо, чтобы их орбиты были гораздо ближе друг к другу, чем в реальности. В этом случае Юпитер и Сатурн в процессе быстрого накопления газа проделывают в газовом диске общее разреженное кольцо. Сатурн не мигрирует внутрь, так как внутри от него газ уже поглощен Юпитером, а миграция Юпитера останавливается, когда его радиус орбиты уменьшается до 2/3 радиусов орбиты Сатурна. Планеты оказываются в орбитальном резонансе, который предотвращает дальнейшую миграцию каждой из них.
Для системы из четырех планет миграция тоже останавливается, если орбиты планет были близки друг к другу. Моделирование показало наличие шести устойчивых конфигураций, общей чертой которых является орбитальный резонанс 3:2 между Юпитером и Сатурном.
Авторы «модели из Ниццы» начали с попытки объяснить строение пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку и согласовать устойчивые конфигурации планет-гигантов с наблюдаемой в реальности, где Юпитер и Сатурн близки к резонансу 5:2, и все расстояния между планетами-гигантами гораздо больше, чем в устойчивых конфигурациях.
Рисунок. Орбиты планет-гигантов к моменту рассеивания межпланетного газа (слева), в период поздней метеоритной бомбардировки (в центре) и современные (справа). Орбиты Юпитера, Сатурна Урана и Нептуна обозначены зеленым, оранжевым, голубым и синим, соответственно. Белые точки - объекты пояса Койпера. (Источник - en.wikipedia.org)
Во всех этих конфигурациях радиус орбиты внешней планеты-гиганта не превышает 17 а.е. (астрономических единиц, 1 а.е. = 150 млн км - радиус орбиты Земли). Для сравнения, современная орбита Нептуна проходит в районе 30 а.е. от Солнца. Причиной изменения орбит планет в модели из Ниццы является обширный, плотный древний пояс Койпера, состоящий из ледяных планетезималей общей массой примерно 35 масс Земли. Близкие проходы планетезималей около Урана и Нептуна переводят планетезимали на более близкие к Солнцу и более вытянутые орбиты, а орбиты планет, напротив, отдаляются от Солнца. Заброшенные внутрь планетезимали далее проходят вблизи Сатурна, расширяя и его орбиту. Близкие встречи с Юпитером приводят к другим последствиям - планетезимали оказываются выброшены из Солнечной системы либо переходят на очень вытянутые эллиптические орбиты с огромными периодами обращения, переходя в облако Оорта. Часть планетезималей попадает на орбиты, проходящие близко к Солнцу, где сталкивается с планетами земной группы. Обмен импульсом между Юпитером и выброшенными планетезималями приводит к тому, что Юпитер, в отличие от других планет-гигантов, немного приближается к Солнцу. Наконец, примерно через 500-600 млн. лет смещение Сатурна наружу и Юпитера внутрь приводит к тому, что они попадают в дестабилизирующий резонанс 1:2. Орбиты Юпитера и Сатурна становятся эллиптическими и приводят к близким проходам Сатурна и двух внешних планет. Их орбиты, в свою очередь, тоже вытягиваются. Нептун быстро начинает проходить в густонаселенной части пояса Койпера, и поток планетезималей во внутренние области Солнечной системы возрастает тысячекратно. На планетах земной группы в это время происходит поздняя метеоритная бомбардировка. Динамическое трение Нептуна в поясе Койпера приводит к тому, что его орбита опять скругляется, но на гораздо большем расстоянии от Солнца. Радиус орбиты Сатурна тоже растет и он уходит от резонанса 1:2 к безопасному резонансу 2:5. Пояс Койпера разрушается, его ледяные объекты частью выброшены из Солнечной системы, частью столкнулись с планетами и спутниками, частью перешли на вытянутые кометные орбиты или в облако Оорта. В поясе Койпера остается около 1% его первоначальной массы. В процессе миграции Юпитера внутрь и во время резонанса 2:1 с Сатурном пояс астероидов опять дестабилизируется, астероиды рассеиваются ближе и дальше к Солнцу и тоже вносят вклад в позднюю метеоритную бомбардировку внутренних планет. Это вторая стадия обеднения пояса астероидов, в процессе которого его масса падает примерно с 1% до 0,1% массы Земли.
Некоторые ледяные планетезимали из пояса Койпера оказываются в итоге на стабильных орбитах во внешней части пояса астероидов. Вероятно, таково происхождение астероидов семейства Хильды, которые по своим спектрам напоминают кометные ядра и троянцы. Не исключено, что Церера, крупнейший объект пояса астероидов, тоже происходит из пояса Койпера. Мы узнаем это в марте-апреле 2015 года, когда к Церере прибудет зонд "Dawn".
Модель из Ниццы предсказывает, что Нептун до момента поздней метеоритной бомбардировки с большой вероятностью был ближе к Солнцу, чем Уран, что согласуется и с большей массой Нептуна. Предсказываемые близкие прохождения планет-гигантов объясняют происхождение неправильных спутников - это были пролетавшие мимо планетезимали, которые были гравитационно захвачены при прохождении мимо двух планет. Еще одна странная деталь Солнечной системы, получающая объяснение в рамках этой модели - астероиды-троянцы. Это мелкие объекты, которые движутся по орбитам Юпитера и Нептуна на 60 градусов окружности впереди и позади планет, в так называемых Лагранжевых точках L4 и L5. В настоящее время они находятся в устойчивом равновесии: троянцы не могут покинуть свои орбиты под воздействием других планет, но и новые тела не могут попасть в их ряды. Однако в момент резонанса 1:2 Сатурна и Юпитера объекты в точках L4 и L5 были неустойчивы. Мигрирующие планетезимали могли входить и выходить в эти точки, но после выхода Юпитера из резонанса с Сатурном оставшиеся астероиды были заперты там на миллиарды лет.
Поздняя метеоритная бомбардировка заметно изменила Землю. С падавшими ледяными кометами и астероидами Земля получила заметное количество воды, органические вещества, металлы-сидерофилы. К последним относятся хорошо растворимые в железе металлы, которые при образовании Земли из планетарных зародышей были сконцентрированы в ядре. Это, например, золото, платина, платиноиды, рений, вольфрам. Благодаря метеоритной бомбардировке месторождения этих металлов встречаются и в земной коре. Метеоритная органика, подобно сидерофилам, тоже обильно попадала на Землю в начале ее формирования, но была разрушена во время эпизодов «океана магмы» после падения крупнейших планетарных зародышей. Во время поздней бомбардировки размеры падающих тел были меньше, выделявшиейся при ударах энергии хватало максимум на испарение океанов, и новая порция органики пережила доставку на Землю.
Доля воды, доставленной на Землю кометами во время поздней бомбардировки, не превышает 5% от объема современных океанов. Это следует из изотопного состава: кометный лед обогащен дейтерием в два раза по сравнению с водами Земли, которая в свою очередь находится в середине разброса изотопного состава воды разных хондритных метеоритов (Morbidelli и др, 2000. «Meteoritics and Planetary Science» 35 doi: 10.1111/j.1945-5100.2000.tb01518.x). Следовательно, большая часть воды на Земле принесена с хондритными метеоритам и планетезималями, происходящими из района пояса астероидов.
Эволюция системы Земля-Луна
Радиус лунной орбиты увеличивается из-за приливного взаимодействия с Землей. Момент вращения Земли передается Луне, при этом Луна отодвигается от Земли, а вращение Земли замедляется. Часть энергии вращения при этом рассеивается в тепло. Скорость передачи вращения Луне сильно зависит от приливного трения - меры сопротивления Земли приливным движениям океана и мантии.
Современные измерения при помощи лазерных дальномеров показали, что Луна отдаляется от Земли со скоростью около 3,5 см в год. Расчитаное из этих данных приливное трение получается довольно большим, и получается, что возраст Луны не может превышать 1,5 млрд лет, что противоречит изотопным датировкам и другим данным. В распоряжении ученых есть так же данные о скорости вращения Земли за последние 600 млн лет, полученные путем изучения суточных и годовых колец прироста кораллов, а так же подсчета слоев ритмитов - отложений морских осадков, оставленных приливно-отливными течениями. Эти данные показывают, что темпы замедления вращения Земли колебались в несколько раз в разные эпохи. Колебания связаны с изменением расположения материков и океанов. Мелководные моря тормозят приливную волну сильнее, чем глубокие океаны. Современное расположение материков, перекрывающих экватор в трех местах, тормозит приливную волну гораздо больше, чем было, например, в палеогене - с океаном Тетис между Евразией и Африкой и с широким проливом между Северной и Южной Америкой.
Самая полная последовательность ритмитов, отлагавшаяся в течение 60 лет в позднем протерозое (620 млн. лет назад), известна из формаций Рейнелла и Элатина в Австралии (Williams, 2000, «Reviews of Geophysics», 38(1), doi: 10.1029/1999RG900016). Она показывает, что в ту эпоху продолжительность суток составляла 21,8 часа, а радиус лунной орбиты был на 6% меньше современного. Для более древних эпох такие отложения, к сожалению, неизвестны.
Осевое вращение планет земной группы и особенности Венеры и Меркурия
Как мы упоминали выше, одной из проблем современных моделей образования Солнечной системы является осевое вращение планет земной группы.
Вращение планет-гигантов имеет однозначное происхождение: оно определяется в основном вращением падавшего в них газа в период лавинообразного накопления, которое в свою очередь связано с исходным вращением протопланетного диска. Поэтому Юпитер и Сатурн вращаются в одну сторону с периодом около 10 часов. Периоды вращения большинства крупных астероидов тоже близки к этому значению, и происхождение этого вращения аналогичное - из газового вихря, в центре которого росла планетезималь (Pravec, Harris и Michalowski, 2002, в сборнике «Asteroids III» под редакцией Bottke, Cellino, Paolicchi, Binzel. Univ. Arizona Press, Tucson, pp. 113-122). Плохо понятно происхождение вращения Урана и Нептуна - их периоды практически равны и составляют около 16 часов, но ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Вращение планет земной группы при их образовании из планетезималей и планетарных зародышей должно было сильно и непредсказуемо измениться при столкновениях планетарных зародышей. Наклонения планет в итоге должны быть случайными, периоды вращения - тоже, в пределах от нескольких часов до нескольких суток, со средним значением в районе тех же 10 часов. Однако, из четырех планет земной группы две (Земля и Марс) имеют наклонения в пределах 30 градусов и периоды вращения около 23-25 часов, а Венера и Меркурий - малые наклонения и огромные периоды вращения 243 и 59 суток. Хуже того, Венера вращается в обратную сторону. Теоретически Венера могла получить обратное вращение за счет удачных направлений скользящих ударов в процессе образования, но ось вращения тогда была бы направлена куда попало.
В случае Земли из закона сохранения момента вращения можно расчитать, что сразу после образования Луны на орбите высотой 25-30 тысяч км период вращения Земли должен был быть около 6 часов. Это лучше согласуется со «средним по системе» 10-часовым периодом вращения. У Марса подобных тормозящих спутников нет, Фобос немного ускоряет осевое вращение Марса, но его влияние пренебрежимо мало. С Венерой и Меркурием же ситуация совершенно непонятная.
Возможно, их медленное вращение - это результат приливного торможения? Но обе планеты не имеют спутников, а приливное торможение Солнца вроде бы недостаточно сильно, особенно для Венеры. Есть, однако, старая, еще 19 века гипотеза, что Меркурий когда-то в древности был спутником Венеры. Так как его масса в 5 раз больше массы Луны, то и приливные эффекты должны быть мощнее. Численное моделирование системы Венера-Меркурий (Van Flandern, Harrington, 1976, «Icarus» 28(4), doi: 10.1016/0019-1035(76)90116-0) показывает, что при сравнимом с Землей приливном трении в коре Венеры Меркурий должен был за 0,5 - 1,5 млрд лет отдалиться от Венеры на расстояние около 450 тысяч км и перейти на эллиптическую околосолнечную орбиту. При этом период осевого вращения Меркурия к моменту расставания с Венерой должен был составлять около 40 суток, период вращения Венеры - меньше, порядка 20 суток. Опасных сближений Меркурия с Венерой в дальнейшем не происходит. Последующее замедление вращения Меркурия и скругление орбиты объясняется приливным взаимодействием с Солнцем, однако, эксцентриситет (мера вытянутости) его орбиты остается самой большой из всех планет.
Гипотеза о Меркурии как бывшем спутнике Венеры объясняет сильную потерю вращения этими планетами и вытянутость орбиты Меркурия, но вызывает новые сложные вопросы. Например, орбита Меркурия после расставания с Венерой оказывается гораздо больше, чем в реальности, и нет никаких причин к уменьшению ее размеров. Непонятно, как могла образоваться система Венера-Меркурий. Меркурий слишком велик, и главное, слишком богат железом, чтобы подобно Луне сформироваться из обломков, выброшенных при косом столкновении планетарного зародыша с Венерой. Возможно, если удар был совсем скользящим, то планетарный зародыш полетел дальше, оставив на Венере часть своей силикатной мантии, но в таком случае он должен был бы упасть на планету окончательно на следующем обороте. Условия для захвата спутника при скользящем столкновении пока не удалось подобрать.
Другое возможное объяснение изменения осей вращения планет - их слабые приливные взаимодействия друг с другом, накапливающиеся за миллионы лет. Расчеты этих взаимодействий (Laskar и Robutel, 1993. «Nature» 361(6413), doi: 10.1038/361608a0) показывают, что в широком диапазоне периодов обращения (приблизительно от 100 до 400 часов для Меркурия и от 20 до 100 часов для Венеры) положение оси вращения испытывает хаотические колебания на промежутках времени в миллионы лет, при этом наклоенние может изменяться от 0 до 90 градусов. Следовательно, когда периоды вращения Меркурия и Венеры проходили эти диапазоны, положение их осей изменилось и стерло все следы исходного положения. Когда приливное трение Солнца затормозило их вращение сильнее и вывело из диапазона неустойчивости, наклонения Меркурия и Венеры перестали изменяться и застыли на современных значениях.
Для Марса аналогичные хаотические колебания наклонения от 0 до примерно 60 градусов должны происходить и при его современном периоде вращения (24,5 часов), и мы не видим их только из-за большой длительности. Впрочем, свидетельства этих колебаний могут быть найдены при изучении геологии и климата Марса. Земля формально тоже находится в зоне неустойчивости, но наличие Луны подавляет колебания наклонения земной оси, благодаря чему климат Земли на протяжении миллиардов лет был более устойчив, чем климаты прочих планет.
Дальнейшее торможение Венеры и переход к обратному вращению мог быть вызван процессами в ее атмосфере. Атмосфера Венеры, по данным космических зондов, вращается в ту же сторону, что и сама планета, но гораздо быстрее - основная масса атмосферы совершает один оборот за трое суток. Таким образом, на поверхности Венеры постоянно дует западный ветер, который за миллиарды лет мог придать планете обратное вращение. Причину такого вращения атмосферы мы пока не знаем.
(продолжение следует)