В Солнечной системе, вероятно, был ещё один газовый гигант
Сейчас основной теорией эволюции Солнечной системы считается модель Ниццы. Она предполагает, что после рассеивания изначального протопланетного диска четыре гиганта - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - обращались по почти круговым орбитам на удалении в 5,5-17 а. е. от Солнца, а не в 5-30, как сейчас. За орбитой крайней из этих планет находился большой плотный диск из каменных и ледяных планетезималей. И простирался он до 35 а. е. от Солнца - дальше нынешней орбиты Нептуна.
На внутреннем крае этого диска планетезимали периодически гравитационно взаимодействовали с самым удалённым гигантом, который изменял их орбиты. Планета захватывала маленькие ледяные тела, увлекая их ближе к Солнцу, при этом обмениваясь моментами импульса с планетезималями. Для компенсации переданного момента гигант слегка сдвигался от Солнца, начиная ещё чаще подбирать планетезимали и отправлять их к светилу, и так далее... Таким образом, орбиты Урана, Нептуна и Сатурна последовательно перемещались вовне, пока планетезимали не оказались вблизи Юпитера. Через несколько сотен миллионов лет Юпитер и Сатурн, две внутренних планеты-гиганта, вошли в орбитальный резонанс 1:2 (или 2:3), что резко увеличило эксцентриситет их орбит, дестабилизируя всю систему. Под действием Юпитера Сатурн перемещается к его нынешнему положению, попутно выталкивая от Солнца Нептун и Уран.
Пока ни одно моделирование, исходящее из наблюдаемого в Солнечной системе количества планет-гигантов, не показывает возможности складывания устойчивых орбит планет: какая-то из них обязательно страдает. (Иллюстрация Southwest Research Institute.)
Модель хорошо объясняет множество деталей истории нашей планетной системы, включая тяжёлую позднюю бомбардировку. Но у неё есть недостатки. В частности, все попытки точно смоделировать вышеописанные процессы заканчиваются провалом: один из четырёх гигантов оказывается выброшенным бродягой; землеподобные планеты начинают сталкиваться между собой - или, того хуже, орбита Юпитера становится неправильной, попутно дестабилизируя орбиты остальных тел.
Почему мы не видим ничего подобного на практике? Дэвид Несворни из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (США) и Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного берега (Франция) попытались решить проблему, предположив, что модель верна, просто в её развитии принимало участие больше компонентов, чем предполагалось.
Итак, вот что вышло. Наличие пятого гиганта смогло защитить землеподобные планеты от частых столкновений между собой (что несколько неожиданно) и одновременно стабилизировало систему в период миграции планет-гигантов к внешним орбитам. Стабилизация произвела негативное воздействие только на саму планету - в итоге она была выброшена гравитацией Юпитера из Солнечной системы, приобретя скорость выше третьей космической.
Нынешнее положение вещей также было проверено на соответствие сценарию с изначальной шестой гигантской планетой. Но вероятность эволюции такой системы в современную оказалась несколько меньше, чем с пятью гигантами, хотя и значительно выше, нежели в фундаментально неспособной прийти к сегодняшней картине системе, вовсе не имеющей дополнительных гигантов.
Согласно исследователям, по свойствам планета-изгнанник была чем-то средним между Нептуном и Ураном, при сходной массе и плотности. В то же время, если верна модель с шестью гигантами, из которых два позднее были изгнаны, то масса обоих изгнанников должна была составлять половину от массы Нептуна (8-9 земных), что помещает их в класс «суперземель». Такой вариант, кстати, до некоторой степени объясняет отсутствие планет такого рода в нынешней Солнечной системе - при их весьма частом обнаружении вообще.
Хотя предположительно выброшенный Солнечной системой газовый гигант и скитается, видимо, в межзвёздном пространстве без звезды, он мог быть захвачен одной из них и теперь вращаться вокруг другого солнца. (Иллюстрация NASA, ESA, G. Bacon.)
Насколько модель Ниццы с изгнанием планет-гигантов может быть типичной для Вселенной? Пока нам не удалось обнаружить сходную систему нигде. Схема «землеподобные планеты - пояс астероидов - газовые гиганты - ледяные гиганты», да ещё и с большим разрывом между планетами, весьма отличается от известного нам о других системах; более того, уже известны случаи, когда гиганты размещаются ближе к звезде, чем землеподобные планеты.
После проведения примерно 10 тыс. симуляций развития системы астрономы пришли к выводу, что из её первичного состояния вытекает множество вариантов с различным распределением орбит планет, не совпадающим с нынешним. При этом вероятность образования Солнечной системы в её современном виде равна примерно 5%, то есть лишь каждая двадцатая звёздная система будет иметь столь редкое распределение планет в соответствующей иерархии. Правда, учитывая нынешние данные о количестве планетных систем, это означает, что только в нашей Галактике исключений должно быть по крайней мере несколько миллиардов.
Подготовлено по материалам arXiv.