Детективы орбит вышли на след давно потерянной Солнцем планеты

Наша Солнечная система — это место преступления возрастом 4,6 миллиарда лет. Изрытые кратерами поверхности, смещенные орбиты планет и потоки межпланетного мусора — это космические эквиваленты пятен крови, расплескавшейся на стене, и следов шин удирающей с визгом машины. Эти и другие улики рассказывают о хаотическом начале существования нашей планетарной семьи. В этих уликах погребены и наши потерянные братья: в том числе и девятая планета (нет, не Плутон), которую выбило гравитационной встряской, которую претерпела наша Солнечная система в юности.

Сегодня внешнюю Солнечную систему разделили между собой четыре гигантских мира: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. За ними лежит пояс Койпера, поле ледяных обломков, в которое затесался и Плутон.
 

Несворны — один из тех ученых, которые пытаются выяснить, как Солнечная система развивалась в свои первые несколько сотен миллионов лет. Используя сложные компьютерные модели, ученые пришли к истории, в которой юные планеты сформировались относительно тесно и затем обменивались положениями, периодически подныривая и перескакивая с одной орбиты на другую. Эти моделирования объясняют множество небольших подробностей о том, как планеты, астероиды и кометы вращаются вокруг солнца сегодня.

Только вот есть одна проблема. История обычно заканчивалась тем, что Уран или Нептун выбивались из Солнечной системы, писал Несворны в сентябре в Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

Поскольку Уран и Нептун остались на своих местах — космический аппарат, в конце концов, посетил обе планеты — этот нарратив не очень складный. Но пятая гигантская планета, как полагают многие, может быть пропавшим героем этой сказки и важным игроком истории нашей Солнечной системы.
 

Чтобы воссоздать сцены древности, астрономы обращаются к компьютерным моделям для генерации тысяч различных солнечных систем, собранных тысячами разных способов. В строчках кода они излагают законы физики и стартовую линейку любого расположения планет, которое только можно представить. Ученые задают сцену: планета здесь, несколько астероидов здесь — затем отходят и дают природе сделать свое дело. Через несколько недель в реальном мире — миллионы лет в симуляции — астрономы наконец решаются заглянуть и посмотреть, как чувствует себя новорожденная солнечная система. Чем ближе к реальности, тем лучше.

Именно этим Несворны занимался в 2009 году. Он играл с виртуальными солнечными системами, пытаясь найти лучший способ спасти виртуальный Уран и виртуальный Нептун от одностороннего турне в виртуальный глубокий космос.

Проблемой был Юпитер. Эта гигантская планета — громила, гравитация которого может достигать далеких пределов и расширяться, расталкивая небольшие миры и стягивая обломки. В самых успешных моделях Юпитер и одна из двух внешних планет рикошетом отскакивали друг от друга и, наконец, оседали на своих нынешних орбитах. Но это происходило только в 1% случаев. В других 99% случаев Юпитер выбивал Уран или Нептун так сильно, что они покидали Солнечную систему и никогда больше не возвращались.

«Все это странно, потому что мы знаем, что Уран и Нептун выжили», говорит Несворны. Поэтому он продолжал выстраивать новые системы. После года бесчисленных попыток разных сценариев, он начал добавлять жертвенные планеты: другие планеты, которые были уничтожены, чтобы спасти другие.

«Я бы запустил эти симуляции, чтобы увидеть, что произойдет, не воспринимая их слишком серьезно», говорит Несворны. «Но потом понял, что в них может быть какая-то правда». Он провел примерно 10 000 симуляций, меняя количество дополнительных планет, их начальных местоположений и масс в каждом отдельно случае.

Самый лучший сценарий — который воспроизводил Солнечную систему, наиболее похожую на реальную — включал дополнительную планету, которая находилась между оригинальными орбитами Сатурна и Урана. Этот мир был примерно такой же массивный, как Уран и Нептун, или в 16 раз массивнее Земли. Именно эта планета могла запутаться с орбитой Юпитера и быть выброшена из Солнечной системы.

Но шансы все еще невелики. Повторные симуляции такой установки удавались лишь в 5% случаев. «Нынешняя Солнечная система не является ни типичным, ни ожидаемым результатом», писал Несворны в работе 2012 года, изучая эту идею, в соавторстве с коллегами Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного берега Франции. Но это было значительное улучшение по сравнению с 1% уровнем успеха моделирований, которые включали только четыре гигантские планеты, которые мы знаем и любим сегодня.

«Говорить о существовании пятой гигантской планеты на самом деле намного проще, чем не говорить», говорит Шон Раймонд, планетолог Университета Бордо во Франции. Хотя доказательства в значительной степени косвенные, «иметь еще одну такую в те времена было бы намного больше смысла».

Может показаться, что это притянуто за уши. Как астрономы могут вообще что-то знать о происходящем более 4 миллиардов лет назад? Как они могут знать что-то о планетах, которые остались на текущий момент, не говоря уж о тех, которые больше нет? Оказывается, планеты оставляют после себя боевые шрамы, которые планетарные детективы могут попытаться прочитать.
 

«Мы определенно уверены в том, что планеты сформировались не там, где они находятся сейчас», говорит Натан Каиб, планетолог Университета Оклахомы в Нормане.

Эта уверенность появилась не так давно. На протяжении большей части истории звездные наблюдатели предполагали, что планеты всегда двигались по тем орбитам, которые имеют. Но в начале 1990-х годов ученые осознали, что в этом сценарии что-то упущено.

Сразу за орбитой Нептуна лежит пояс Койпера, россыпь ледяных обломков, окружающих Солнце. «Это пятна крови на стене», говорит Константин Батыгин, планетолог Калифорнийского технологического института.

Расположение объектов пояса Койпера привело ученых к неизбежному заключению: Нептун должен был сформироваться ближе к Солнце, чем сейчас. Многие из объектов пояса Койпера сбиты вместе на концентрических орбитах, смутно напоминающих борозды на пластинках. И это не какие-нибудь случайные орбиты — они все тесно привязаны к орбите Нептуна.

Возьмем Плутон, самого известного жителя пояса Койпера. Он и несколько сотен его известных компаньонов обходят Солнце ровно два раза за каждые три обхода, совершаемых Нептуном. Другие потоки объектов Койпера обходят один раз на каждые два оборота Нептуна, или по четыре раза на каждые семь.

Пояс Койпера никаким образом не мог оказаться в таком движении самостоятельно. Если, однако, Нептун сформировался ближе к Солнцу, а затем вышел наружу, его гравитация должна была сработать как сеть, захватив близлежащие межпланетные обломки на этих специальных орбитах и запустив их двигаться определенным образом.

Это соответствует некоторым моделированиям, которые проводились десять лет назад. Формирование планет было жутким кровопролитием, в результате которого по всей Солнечной системе оказался разбросан мусор. Любые фрагменты, которые подходили слишком близко к Нептуну, должны были притянуться гравитацией планеты. Поскольку у каждого действия есть равная и противоположная реакция, каждый раз, когда Нептун притягивал фрагмент, планета отталкивалась в противоположном движению фрагмента направлении. Со временем Нептун медленно уполз от Солнца.

Миграция Нептуна повлияла и на другие гигантские планеты. В конце концов, Юпитер, Сатурн и Уран вспахивали такое же поле обломков и имели дело с подобными гравитациоными взаимодействиями. Если бы Нептун двигался, все эти гигантские планеты бы двигались.

И это была бы явно не поездка с ветерком.

Непрерывное измельчение всех этих обломков должно было вылепить орбиты планет-гигантов в идеальные выровненные круги, подобно тому, как глина на гончарном круге сглаживается крепкой рукой гончара. Но атк не случилось. Планеты гигантов вместо этого двигаются на орбитах, которые слегка вытянуты и искажены. Будто кто-то врезался в круг, испортив округлые горшки.
 

В 2005 году ученые нашли виновника. Новые модели показали, что в определенный момент гигантские планеты должны были претерпеть так называемую «динамическую нестабильность». Иными словами, все перевернулось вверх тормашками на миллион лет. Наиболее вероятным источником этой катавасии должна была быть серия близких проходов между Сатурном и либо Ураном, либо Нептуном — то есть, ледяными гигантами — коорая отправила один из этих миров в направлении Юпитера. По мере приближения к гигантской планете, ледяной гигант гравитационно влиял на Юпитер, замедляя его и сталкивая на низкую орбиту. Но и Юпитер так же сильно тянул приближающуюся планету. Ледяной гигант, будучи намного легче, разгонялся по мере замедления Юпитера, удаляясь от Солнца.

Эта ссора была для Солнечной системы гравитационным миксером. Юпитер прыгнул внутрь, а остальные внешние планеты выскочили наружу. Этот удар исказил орбиты гигантских планет и сделал их такими, какими они являются сейчас. Он также спас внутреннюю Солнечную систему — Меркурий, Венеру, Землю, Марс и пояс астероидов — от перемешивания за счет длительного гравитационного воздействия Юпитера и Сатурна. Такая проблема также возникала в более ранних симуляциях.

Это подводит нас к удалению Урана или Нептуна. Именно в этот момент в симуляциях Юпитер чаще всего выбрасывает ледяного гиганта из галактики.

Это дилемма, которую пытался решить Несворны, не нарушая все остальное в симуляциях, что действительно работало. Дополнительный ледяной гигант взял бы на себя основную часть напора Юпитера, позволив другим событиям нарратива разворачиваться постепенно и беспрепятственно.

«Это совершенно правдоподобно», говорит Батыгин. «Если вы спросите, есть ли какая-нибудь причина тому, почему у нас должно быть два, а не три ледовых гиганта, ответом будет: конечно, нет». Фактически, по его словам, некоторые вычисления показывают, что изначально было создано не более пяти нептуноподобных миров.

Батыгин и его коллеги изучали этот вопрос одновременно с Несворным, хотя их мотивы были разными. «Я хотел продемонстрировать, что никакой дополнительной гигантской планеты быть не может», говорит он.

Он рассудил, что эта предполагаемая планета, двигаясь из Солнечной системы, разбила бы ту часть пояса Койпера, известную как холодный классический пояс. Если бы пояс Койпера был пончиком, говорит Батыгин, холодный классический пояс был бы шоколадной его начинкой — это семейство объектов, орбиты которых лежат практически на одной плоскости в поясе Койпера. Проходящая планета возмутила бы эти орбиты, считают Батыгин и его коллеги.

Их компьютерное моделирование показало, что этого не происходило. Более того, к их удивлению, выброшенная планета не уничтожила бы холодный классический пояс. Это не доказывает существование планеты — лишь говорит о том, что Солнечная планета работает так, как работает, вне зависимости от того, была она там или нет. Может ли эта планета оставить более значимую сигнатуру? Или, возвращаясь к аналогии с местом преступления, какие-нибудь следы шин? Несворны полагает, что могла бы.
 

Есть еще одна часть пояса Койпера, называемая ядром, узкий поток ледяных фрагментов, орбиты которых в настоящее время не синхронизированы с нептуновой. Происхождение ядра — в некотором смысле загадка. В 2015 году Несворны заявил, что в этом может быть замешан скачок во внешней миграции Нептуна — вызванной выбросом планеты.

Когда Нептун отправился на свою окончательную орбиту и смахнул обломки с орбит, синхронизированных с его собственной, «удар» в нужное время мог бы запустить часть этих обломков словно независимый поток, «ядро». Моделирования показывают, что гравитационный толчок, который заставил Юпитер прыгнуть и вытолкнуть лишнюю планету, мог произойти как раз в нужное время, чтобы сместить Нептун.

Правда в том, что мы можем никогда не узнать наверняка, что происходило в годы формирования Солнечной системы. «Мы не можем написать Библию Солнечной системы», говорит Батыгин. «Только смутно набросать ее историю».

Если Солнечная система действительно выбросила одного из своих, он в хорошей компании. За последние годы астрономы обнаружили несколько блуждающих планет, которые также были выброшены из своих домов. Более того, расчеты показывают, что в галактике больше плавающих планет типа Юпитера, нежели звезд.

Это миллиарды беженцев. Наш беглец, вероятно, был размером с Нептун, и мы не знаем, сколько ему подобных бродит по галактике. Но знаем, что Вселенная полна мелких вещей, и их больше, чем больших.