Изучение орбит в Солнечной системе указывает на существование давно потерянной планеты

Ученые продолжают изучать Солнечную систему, и выглядит это очень занимательно. Например, современные планетарные орбиты таят улики, раскрывающие суровые условия происхождения Солнечной системы — а, возможно, и существование межзвездного гиганта, давным-давно сбившегося с пути. Наша Солнечная система подобна сцене преступления, произошедшего 4,6 миллиарда лет назад.

Современные орбиты таят улики, раскрывающие суровые условия происхождения солнечной системы — а возможно и существование межзвездного гиганта, давным-давно сбившегося с пути.

Наша солнечная система подобна сцене преступления, произошедшего 4,6 миллиарда лет назад.

Поверхности, усеянные кратерами, смещенные планетарные орбиты и облака межпланетных обломков — космические аналоги брызг крови на стене и следов заноса уходящей от погони машины. Эти и другие улики рассказывают о хаотическом происхождении нашего планетарного семейства.

Среди этих следов таятся подсказки о потерянном собрате — девятой планете (нет, речь не о Плутоне), выкинутой прочь в ходе гравитационного перетягивания каната, сопровождавшего первоначальное формирование солнечной системы.

В наши дни на периферии солнечной системы господствуют четыре огромных планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. За ними находится пояс Койпера — поле ледяных осколков, среди которых обретается и Плутон.

«Не стоит думать, что периферия солнечной системы всегда была такой же, как и сейчас», — говорит Дэвид Несворни, ученый планетолог из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штате Колорадо, который первым высказался в пользу мнения о существовании беглой планеты в 2011 году.

Несворни — член группы ученых, которые пытаются выяснить, каким образом солнечная система развивалась в первые несколько сотен миллионов лет своего существования. Используя сложные компьютерные модели, исследователи составили хронологию столкновений между новорожденными планетами, возникшими относительно близко друг к другу — они поочередно скользили и перепрыгивали с одной орбиты на другую. Эти модели раскрыли множество мелких подробностей о том, как проходит вращение планет, астероидов и комет вокруг солнца в наши дни.

Оставалась лишь одна проблема. Как правило, смоделированные сценарии заканчивались выдворением либо Урана, либо Нептуна за пределы солнечной системы, как написал Несворни в сентябре в «Ежегодном обзоре по астрономии и астрофизике» (Annual Review of Astronomy and Astrophysics).

Поскольку в действительности Уран с Нептуном остаются на своих местах — космические летательные аппараты посетили как тот, так и другой — что-то в этих сценариях не складывалось. Однако, как подозревают многие исследователи, ключевым игроком в этой загадке и недостающим звеном в истории солнечной системы вполне может быть пятая по счету планета-гигант.

Исчезнувшая планета

Для воссоздания этих древних сцен астрономы полагаются на компьютерные модели, создавая тысячи различных солнечных систем тысячами разных способов. Они переводят в программный код законы физики и любые первоначальные расположения планет, какие только могут придумать. Исследователь задает параметры — одну планету сюда, кучку астероидов туда — а затем откидывается в кресле и дает смоделированной среде сделать за него всю работу. Через пару недель в реальном времени — за которые в модели проходят миллионы лет — астроном проверяет результаты, чтобы посмотреть, что стало с солнечной системой. Чем ближе она к реальности, тем успешнее модель.

Именно этим Несворни и занимался в 2009 году. Он копался в виртуальных солнечных системах, пытаясь спасти виртуальный Уран и виртуальный Нептун от дороги в один виртуальный конец в глубоком космосе.

Проблема была в Юпитере — гигантской планете-хулигане, чья гравитация может дотягиваться достаточно далеко, чтобы помыкать меньшими планетами и различными обломками. В наиболее успешной имитации на тот момент, Юпитер и одна из двух внешних планет отскочили друг от друга и, в конце концов разместились на своих современных орбитах. Но случалось такое только в одном проценте всех моделей. В остальных 99% случаях Юпитер швырял Уран или Нептун так сильно, что те покидали солнечную систему, и никогда больше в нее не возвращались.

«Это делало ситуацию очень загадочной, так как мы знали, что Уран и Нептун продолжили существовать в своем нынешнем виде», — говорит Несворни. Поэтому он продолжал экспериментировать. После года моделирования бесчисленного множества разных сценариев, он начал подумывать о добавлении планет-мучеников — лишних планет, принесенных в жертву, чтобы спасти остальных.

«Я просто моделировал их существование, чтобы увидеть, что получится, а не потому, что серьезно относился к самой идее, — говорит Несворни. — Но затем я понял, что в этом может быть разумное зерно». Он прогнал около 10 тысяч сценариев, изменяя количество лишних планет, их первоначальное местонахождение и массу каждой из них.

Самым лучшим вариантом, наиболее точно предсказавшим нынешнее состояние нашей солнечной системы, оказался тот, в котором лишняя планета размещалась между первоначальными орбитами Сатурна и Урана. По массе планета была приблизительно равна Урану и Нептуну, и почти в 16 раз превосходила Землю. Именно такая планета могла столкнуться с орбитой Юпитера и вылететь из солнечной системы.

График показывает, как менялось расстояние между планетами и солнцем с течением времени. Первые несколько миллионов лет в компьютерной модели орбиты менялись медленно, затем произошел близкий контакт между Сатурном (зеленый) и лишней планетой (фиолетовый), который привел к дестабилизации орбит. Пунктирные линии отмечают современные размеры орбит. (Источник: взято из материалов д. Несворни/раздела астрономии и астрофизики журнала Knowable, 2018.)

Шансы все равно невелики. В последующих моделях такой расклад заканчивался успехом примерно в пяти процентах случаев. «Существование солнечной системы в ее нынешнем виде не является ни типичным, ни предсказуемым результатом, — отметил Несворни в 2012 году в статье, написанной в соавторстве с его коллегой Алессандро Морбиделли (Alessandro Morbidelli) из Обсерватории Лазурного берега во Франции. Несмотря на это, модель стала значительным прогрессом по сравнению с однопроцентной вероятностью успешного исхода тех моделей, которые включали лишь те четыре планеты-гиганта, которые мы знаем и любим сегодня.

«Если допустить существование пятой планеты, объяснить происходящее становится намного легче», — говорит Шон Рэймонд, ученый-планетолог из Университета Бордо во Франции. И хотя доказательства в основном косвенные, «гораздо логичнее предположить, что тогда там была еще и пятая планета».

Это может показаться очень неоднозначным предположением. Как могут астрономы знать хоть что-то о том, что произошло четыре миллиарда лет назад, хотя бы и с планетами которые мы можем наблюдать сейчас, не говоря уже о тех, о которых нам ничего не известно? Однако оказывается, что планеты оставили уйму боевых шрамов молодости в качестве улик для детективов будущего.

Межпланетарные брызги крови

«Мы более чем уверены в том, что планеты возникли не там, где они находятся сегодня», — сообщил Натан Кайб, ученый-планетолог из университета Оклахомы в Нормане.

Впрочем, осознание этого произошло совсем недавно. На протяжении большей части истории, звездочеты не сомневались в том, что планеты всегда находились на своих сегодняшних орбитах. Но в начале 1990-х исследователи поняли, что в такой модели чего-то не хватает.

Нептун и Тритон

Сразу за орбитой Нептуна находится пояс Койпера, россыпь ледяных осколков, опоясывающих солнце. «Это и есть наши брызги крови на стене», — говорит Константин Батыгин, ученый-планетолог из Калифорнийского технологического института.

Расположение объектов пояса Койпера привело исследователей к неизбежному выводу: Нептун должен был сформироваться гораздо ближе к Солнцу, чем предусматривает его текущее расположение. Многие объекты пояса Койпера скапливаются вместе на концентрических орбитах, отдаленно напоминающих канавки на музыкальной пластинке. Эти орбиты едва ли случайны — они напрямую связаны с Нептуном.

Например, Плутон — самый известный обитатель пояса Койпера. Он и пара сотен его известных нам попутчиков делают вокруг Солнца ровно два оборота за те три, что совершает Нептун за тот же срок. Другие потоки мусора в поясе совершают один полный оборот за каждые два, завершенные Нептуном — или точнее, четыре за каждые семь.

Пояс Койпера не мог сделаться таким без внешнего воздействия. Однако если предположить, что Нептун возник ближе к Солнцу и затем выдвинулся наружу, его сила притяжения была бы достаточно сильна, чтобы поймать в свои сети межпланетный мусор и отправить его на эти необычные орбиты.

Данная модель показывает, как тесное расположение внешних планет (изображение слева) может меняться с течением времени. Орбиты Юпитера и Сатурна сближаются (изображение в центре), что приводит к изменению всех прочих орбит. Конкретно в данной модели Уран и Нептун меняются местами. Спустя некоторое время, (изображение справа) космические обломки оказываются разбросаны — некоторые из них оседают в поясе Койпера, в то время как планеты начинают двигаться к своим современным орбитам. (Источник: адаптировано из Astromark/Викисклад.)

Это совпало с предсказаниями некоторых моделей, полученных на десятилетие раньше.

Формирование планет оставило за собой беспорядок из рассеянных по всей солнечной системе осколков. Любые фрагменты, оказавшиеся слишком близко к Нептуну, неизбежно бы попали под влияние его силы притяжения. Так как за всяким действием следует равное по силе противодействие, каждый раз, когда Нептун подталкивал осколок, он и сам двигался в противоположном направлении. Медленно, но верно, Нептун полз прочь от солнца.

Миграционный процесс Нептуна касается и других гигантских планет. Ведь Юпитер, Сатурн и Уран пробивались через то же поле обломков и имели дело с похожими гравитационными взаимодействиями. И если Нептун переехал на новое место, то же должно было произойти и со всеми остальными планетами-гигантами.

И процесс этот явно не был гладким.

Непрекращающиеся столкновения со всем этим мусором должны были превратить орбиты планет-гигантов в идеальные, стройные круги — совсем как глина на гончарном круге сглаживается твердой рукой гончара. Однако орбиты получились совсем не такими. Вместо этого планеты-гиганты двигаются по слегка вытянутым и искаженным орбитам. Как будто кто-то ударился о колесо, меняя форму некогда круглых горшков.

Скачущий Юпитер

К 2005 году исследователи вышли на виновника. Новые модели свидетельствовали, что в какой-то момент планеты-гиганты прошли через то, что ученые называют «динамической неустойчивостью». Иначе говоря, примерно на миллион лет все завертелось в безумной круговерти. Наиболее вероятной причиной для этого казалась череда столкновений между Сатурном и Ураном, или Нептуном — то есть одним из ледяных гигантов — что отправило один из них прямо в сторону Юпитера. Как только заблудшая планета приблизилась, ее сила гравитации притянула Юпитер, замедляя и сдвигая его на более узкую орбиту. Однако Юпитер притянул вторгнувшуюся планету ничуть не слабее. Ледяной гигант, будучи намного легче, разогнался гораздо больше, чем Юпитер замедлился, и отправился прочь от солнца.

Такое происшествие стало бы для Солнечной системы гравитационным погромом. Юпитер перескочил глубже внутрь, в то время как остальные внешние планеты выпрыгнули наружу. Такой толчок изогнул бы орбиты планет-гигантов в их нынешнее состояние. Кроме того, это спасло бы внутреннюю часть солнечной системы — Меркурий, Венеру, Землю, Марс и пояс астероидов — от воздействия силы притяжения как со стороны Юпитера, так и Сатурна, которое было еще одной проблемой, возникшей в самых ранних моделях.

Что приводит нас к удалению из системы Урана или Нептуна. Как раз на этом этапе моделирования Юпитер чаще всего вышвыривает один из ледяных гигантов прочь.

Это та самая проблема, которую Несворни пытался разрешить, не сломав все остальное в сработавших симуляциях. Лишний ледяной гигант принимает на себя основной удар со стороны Юпитера, давая остальным событиям сценария возможность развернуться беспрепятственно.

«Это вполне правдоподобно, — говорит Батыгин. — Отнюдь не факт, что всегда существовало именно два ледяных гиганта вместо трех». Напротив, говорит он, некоторые расчеты допускают первоначальное существование вплоть до пяти похожих на Нептун планет.

Батыгин и его коллеги исследовали этот вопрос параллельно с Несворни, хотя по разным причинам. «Я хотел продемонстрировать, что лишней планеты-гиганта быть не могло», — говорит Несворни.
 

Он рассудил, что на своем пути к выходу из Солнечной системы эта предполагаемая планета должна была оставить след кое-где в поясе Койпера, в области, известной как «холодный классический пояс». Если бы пояс Койпера был пончиком, продолжает Батыгин, холодный классический пояс стал бы его шоколадной начинкой — скоплением объектов, чьи орбиты располагаются практически в одной плоскости в пределах пояса Койпера. Проходящая мимо планета должна была нарушить эти орбиты — во всяком случае, так полагали Батыгин и его коллеги.

Их компьютерные модели показали, что ничего подобного не произошло. К их удивлению, планета-изгнанница не уничтожила бы холодный классический пояс на своем пути вовне. Это не доказывает существование планеты — полученный результат свидетельствует лишь о том, что Солнечная система могла бы существовать в нынешнем виде как с ней, так и без нее. Могла ли эта планета оставить более четкий след? Или, возвращаясь к аналогии с местом преступления, остались ли следы заноса? Несворни думает, что такие следы вполне могли остаться.

Ядро истины

Есть и другая часть пояса Койпера — узкий поток ледяных обломков, называющийся ядром, орбиты которого не соответствуют нынешнему положению Нептуна. Его происхождение является загадкой. В 2015 году Несворни утверждал, что, возможно, причиной всему может быть перемещение Нептуна от Солнца, спровоцированное ушедшей планетой.

По мере того, как Нептун двигался к своей окончательной орбите и выметал мусор на орбиты, сообразные его собственной, в определенный момент он мог подвергнуться воздействию, которое высвободило достаточное количество этого мусора, чтобы тот образовал собственный поток.

Модели показали, что тот же гравитационный удар, который мог заставить Юпитер перескочить с орбиты на орбиту и вытолкнуть лишнюю планету прочь из Солнечной системы, мог бы произойти в нужный момент, чтобы подтолкнуть и Нептун.

«В результате получается что-то вроде ядра, — говорит Несворни. — Это косвенное доказательство… оно не является исчерпывающим».

По правде говоря, мы никогда не будем знать наверняка, что произошло в Солнечной системе в период ее становления. «Мы не можем написать Библию Солнечной системы, — говорит Батыгин. — Мы можем рассказывать об этих событиях лишь в очень общих чертах».

Если один из обитателей Солнечной системы и вправду оказался изгнан за ее пределы, он в хорошей компании. В последние годы астрономы нашли несколько планет-изгоев, дрейфующих между звездами, которые, скорее всего, тоже были выброшены из родных мест. Если спроецировать результаты этого открытия на остальную галактику, «в ней существует гораздо больше находящихся в свободном полете планет размером с Юпитер, чем звезд» говорит Несворни.

Это может быть преувеличением — по недавним оценкам, на каждые четыре звезды приходится лишь одна подобная Юпитеру планета — но это все равно миллиарды блуждающих миров. И это только те, что сопоставимы по размеру с Юпитером. Вероятно, наш изгой был меньше — размером примерно с Нептун; и мы понятия не имеем, сколько таких тел бродит по галактике. Но мы знаем, что Вселенная, как правило, благосклоннее к мелким телам, чем к крупным.

«Держу пари, там их много», — говорит Несворни. Помимо прочего, астрономы обнаружили тысячи звездных систем в Млечном Пути, и многие из них показывают признаки столкновений гораздо большего масштаба, чем то, о котором шла речь выше. «Удивительно то, — считает Несворни, — какой упорядоченной осталась Солнечная система».