Могла ли нейтронная звезда лишить Солнечную систему крупной планеты?

Новая гипотеза предполагает, что образование землеподобных планет Солнечной системы и наблюдаемые в ней изотопные аномалии — следствие лобового столкновении нейтронной звезды с одной из планет или другим крупным телом системы.

...Этот колоссальный удар мог лишить Солнечную гигантской планеты и взамен подарить ей несколько мелких, обогащённых тяжёлыми элементами, на одной из которых мы и живём. Вот такая теория представлена В. И. Павловым из Университета Лилль-I (Франция) и Е. П. Тито, представляющим Научно-консультативную группу в Пасадене (США). Какова мотивация смелых исследователей, предложивших столь необычную гипотезу, несмотря на острожный научный консенсус о том, что изобилие элементов тяжелее железа в нашей системе обусловлено близким взрывом сверхновой, предшествовавшим формированию светила и планет?


Павлов и Тито считают теорию близких взрывов сверхновых не слишком убедительной, и вот почему. Во-первых, на метеоритных телах нашей системы, согласно современным данным, к моменту их формирования были такие короткоживущие изотопы, как ²⁶Al, ⁴¹Ca, ⁵³Mn и ⁶⁰Fe. Обогащение ими можно объяснить только в случае взрыва сверхновой одновременно или за очень короткое время до появления Солнца. Однако, замечают авторы работы, до сих пор ни одно моделирование обогащения всеми этими изотопами не показало той концентрации, которая следует из ныне обнаруживаемых следов изотопов в реальных метеоритах. В одних моделях алюминия-26 получают больше, чем нужно, но зато «не хватает» кальция-41, в других — наоборот, и так далее.

Более того, углистые хондриты типа Ивуна (он же тип CI) несут в себе следы как минимум пяти минералогически различных фаз с включениями аномальных изотопов марганца и кальция, что уже привело других исследователей к выводу об их разном происхождении от множества отдельных источников звёздной природы.

Ближе всего к реальному положению дел с наблюдаемыми в системе изотопами могла привести сверхновая на базе звезды, которая в 25 раз массивнее Солнца, вспыхнувшая на удалении не дальше 0,2 парсека (0,65 светового года) от зародыша нашей системы. Вместе с тем, по существующим взглядам, вспышка сверхновой в 0,65 светового года и ближе должна вызвать рассеивание протозвёздного облака, чего, судя по Солнцу в нашем небе, не случилось.

Кроме того, если бы само облако, из которого возникла Солнечная система, было близко к яркой массивной звезде, вспыхнувшей позже, то ультрафиолет просто не дал бы ему достичь нужной плотности. Единственным вариантом в таком случае остаётся возникновение облака вдали от будущей сверхновой с последующей миграцией к ней. Вот только сценарий этот маловероятен, так как слишком уж многое должно совпасть. Мигрируй облако чуть позже — и изотопных аномалий не было бы, а случись это чуть раньше — не было бы самой Солнечной.

Теория сверхновой плохо объясняет и наличие в системе бериллия-10 и лития-7 в Ca-Al-включениях метеоритов из углистых хондритов. Бериллий-10 вообще не образуется в звёздах, а литий-7 происходит от бериллия-7, короткоживущего изотопа с периодом полураспада в 53 дня. Это, по мнению учёных, означает, что оба изотопа возникли уже внутри нашей системы, но что их породило? Пока ни одной модели ядерных процессов, возможных в ранней Солнечной системе, не удалось непротиворечиво объяснить реальные концентрации этих изотопов.

Под конец учёные замечают, что p-процесс, порождающий изотопы с чрезмерным количеством протонов в ядре, тоже не может быть объяснён близким взрывом одной сверхновой, и даже со множественными взрывами есть проблема: ни одна модель таких событий не дала той концентрации продуктов p-процесса термоядерного синтеза, которая реально наблюдается в нашей системе.

Чем же объясняются все эти загадки с изотопными аномалиями? Павлов и Тито полагают, что некогда, ещё до завершения образования системы, компактная нейтронная звезда столкнулась либо с гигантской планетой (коричневым карликом), либо с краем самого Солнца. Этот объект тяжелее Солнца, но по размеру не превышающий крупный город, подвергся сильнейшей декомпрессии, чудовищно энергичному воздействию, которое привело к растрескиванию коры нейтронной звезды и потере ею части своего вещества. Его капли «разбрызгало» по системе, создав в ней экстремальную среду, насыщенную свободными нейтронами и протонами, что и привело к расщеплению гиперядер и r-, s- и p-процессам, которые породили все странности с упомянутыми изотопами, включая совсем уж необъяснимый бериллий-10.

Что тут сказать... Вероятность такого события, как прохождение нейтронной звезды через эмбрион Солнечной системы, очень сложно оценить: мы не знаем точного места, где она образовалась, отсюда и наше незнание концентрации там нейтронных звёзд. В любом случае подобные события вряд ли случаются каждый день: авторы оценивают коллизию как «уникальную и экстраординарную». По их расчётам, вероятность столкновения нейтронной звезды (НЗ) с другой звездой такова, что со средней НЗ нечто подобное может случиться лишь через квинтиллион лет. Поскольку в Галактике, по оценкам, порядка 100 млн таких звёзд, то в теории за всё время существовании Млечного Пути подобное столкновение могло произойти один раз.

Опять же, нам сильно повезло, что НЗ не «воткнулась» прямо в центр будущей системы, быстро и некрасиво оборвав её ещё не начавшуюся историю. Тем не менее до этой точки астрофизики могли бы оценить ход событий как «логичный». Да, «явление» редкое, но лучше предполагать одно весьма редкое событие, чем объяснять каждую конкретную изотопную аномалию отдельным редким событием, так как в конечном счёте вероятность первого сценария всё равно будет выше.

А вот с некоторыми другими умозаключениями согласиться труднее. Да, теория неплохо объясняет, почему гигантские планеты и их спутники имеют более высокое содержание тяжёлых элементов, чем то же Солнце. Но делать на её основании вывод о том, что, возможно, до столкновения протопланетного диска с нейтронной звездой в нём не было землеподобных планет, а, напротив, имелись лишь газовые гиганты (или их «эмбрионы»), несколько опрометчиво.

Вывод сделан на основании следующего соображения: в нашей системе есть два класса планет — тела земной группы и газовые гиганты, и орбиты их сравнительно далеко отстоят друг от друга. На фоне известных экзопланетных систем, рассуждают авторы препринта, это не вполне типичная схема: у нас нет «горячих Юпитеров», «тёплых Нептунов» и прочих следов миграции гигантов близко к звезде, столь часто обнаруживавшихся «Кеплером» в его лучшие годы. Да и дистанции между «солнечными» планетами выглядят внушительными, то есть «не как у людей», где нередко внутри нашей земной орбиты помещаются до семи планет.

Чтобы объяснить эту «нетипичность», учёные считают, что в начале, на стадии формирования, у нас были только гиганты, а затем столкновение с нейтронной звездой вызвало в системе такие возмущения, что нынешние землеподобные планеты, тогда бывшие гигантами, лишились части своих лёгких газов, приобретя взамен тяжёлые элементы.

В этой схеме настораживает сам подход. Хотя формально Солнечная и впрямь выглядит нетипичной, но, по сути, данные «Кеплера» вряд ли могут быть использованы для выработки эталона «нормальной системы», сравнение которого с нашей помогло бы занести её в «ненормальные». Этот космический телескоп искал экзопланеты тем лучше, чем ближе они располагались к своему светилу (и друг к другу). Само собой, «горячие Юпитеры» и «теплые Нептуны» ему найти проще — но значит ли это, что они действительно составляют основную массу всех существующих планет? Напомним, что, наблюдай «Кеплер» Солнечную систему из соседней, ему пришлось бы ждать транзита Юпитера через диск Солнца до пяти лет, Сатурна — 10, а Урана — до 84 лет (но сломался он через четыре года). Так что, пользуйся инопланетные звездочёты таким инструментом для обследования нашей системы, они неизбежно пришли бы к выводу, что у нас газовых гигантов нет вообще, зато есть несколько небольших планет. Как с такими несовершенными средствами точно узнать, каковы другие системы Галактики? И не рано ли в этом случае объявлять нетипичными «наши» орбиты и схему расположения землеподобных планет и гигантов?

Наконец, нам известен целый ряд систем, где явно есть небольшие скалистые планеты близкие к звезде, а уже за ними лежат газовые гиганты (то есть ситуация, максимально приближенная к нашей). Неужели все они тоже обязаны этим столкновению с нейтронной звездой?


Другим неочевидным моментом гипотезы выглядит то, что чётко просчитать последствия «разбрызгивания» материи нейтронной звезды после лобового столкновения с планетарным объектом (или коричневым карликом) очень трудно. Например, после растрескивания коры НЗ и выброса из неё вещества должно начаться образование и последующее расщепление гиперядер, содержащих кроме протонов и нейтроны ещё и гипероны (сами по себе частицы вполне экзотические). Как в итоге узнать, какими будут продукты распада таких гиперядер? Теории расщепления гиперядер, как справедливо замечают Тито и Павлов, нет в основном потому, что её сложно проверить экспериментально. И действительно, устроить, скажем, лобовое столкновение нейтронной звезды с крупным объектом физики пока не могут...

Из теории Тито и Павлова следует, что экзопланеты земных размеров в других системах, лишенные «живительного» столкновения с нейтронной звездой, скорее всего, будут иметь несколько иной изотопный и химический состав (особенно по тяжёлым элементам), нежели сама Земля. Учёные надеются, что будущие наблюдения позволят уточнить, до какой степени такие различия существуют, и тем самым подтвердить или опровергнуть правоту теории катастрофического столкновения нейтронной звезды с ныне исчезнувшей гигантской планетой Солнечной системы.

Препринт исследования можно полистать здесь.