Беглецы и бродяги: кто уничтожил суперземли Солнечной системы и лишил ее обитаемой планеты

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

Обманчивая обыденность – и что за ней прячется 

Когда мы глядим на окружающий мир, он часто представляется нам «обыкновенным», обыденным. Однако стоит присмотреться – и все оказывается ровно наоборот. Взять хотя бы место, где мы живем. На первый взгляд, в Солнечной системе все нормально: планеты как планеты. Все примерно так и думали до тех пор, пока астрономия не достигла больших успехов в изучении и моделировании планетных орбит. 

Началось с того, что у Юпитера орбита слишком отклоняется от круговой – показывает эксцентриситет (вытянутость орбиты) 0,048, втрое больше, чем у Земли. Между тем орбиту небесного тела тем тяжелее нарушить, чем больше его масса. Исходно планеты в протопланетном диске имели «ровные», круговые орбиты – то есть получить ее «вытягивание» могли только при гравитационном взаимодействии с кем-то еще. Юпитер по массе в 318 раз превосходит Землю и в 2,5 раза – все остальные планеты Солнечной системы. Чтобы «вытянуть» ему орбиту так сильно, нужны гравитационные взаимодействия колоссальных масштабов. С кем? Кто настолько массивен, чтобы повлиять на него? 

Уран и Нептун тоже хороши: по расчетам, на своих нынешних местах они должны формироваться дольше, чем мог существовать протопланетный диск. Единственный разумный выход из этого парадокса – предположить, что сначала они образовались куда ближе к Солнцу и уже потом мигрировали подальше. 

Однако загадка загадок в нашей системе – это Марс и вообще планеты земной группы. По логике, планета тем массивнее, чем дальше она от Солнца. Ведь чем дальше та или иная часть протопланетного облака от светила, тем меньшая часть вещества этой части диска будет вытеснена вовне излучением звезды и солнечным ветром (потоком заряженных частиц с солнечной поверхности). Вроде бы все так и есть: Меркурий в 15 раз легче Венеры, а Венера в 1,18 раза легче Земли. Но вот на Марсе закономерность сломалась: он в девять раз легче нашей планеты. 

Конечно, некоторые проблемы можно снять тем, что гравитация Юпитера «оттянула» часть планетезималей – небольших тел наподобие астероидов, из которых формировались планеты земного типа – вовне, далеко от Марса. Но все расчеты астрономов показывают, что на месте Марса должна была возникнуть планета с 0,5-1,0 земной массы. 

Исследователи полагают, что Земля появилась благодаря скоплению крохотных частиц космической пыли / ©NASA

Это далеко не чисто теоретический вопрос, как можно подумать. Дело в том, что Марс лежит в пределах зоны обитаемости Солнечной системы. Будь у него атмосфера хотя бы сравнимая с земной – и она сохраняла бы тепло достаточно, чтобы климат Марса был похож на засушливый земной. Однако на практике в наше время атмосфера там в 150 раз разреженнее нашей – гравитация маломассивной планеты слишком слаба, чтобы удержать более плотную оболочку без терраформирования. 

Очевидно, если бы Марс был в пять-девять раз массивнее, чем сегодня, то четвертая планета нашей системы была бы обитаема. Либо ее жизнь колонизировала Землю, либо земные космонавты уже осваивали этот мир – причем с целью массовой колонизации, которая сейчас невозможна без терраформирования продолжительностью в сотню лет. 

Есть еще одно «но». Наблюдения за другими планетными системами показывают: там планеты размером с Землю, Венеру, Марс и Меркурий – редкость. Твердые планеты обычно имеют массу заметно больше земной, отчего их называют суперземлями. То есть все наши планеты земной группы – своего рода аномалия. Более того, астрономы Константин Батыгин и Майкл Браун предполагают (и сегодня это принятая большинством ученых гипотеза), что суперземля есть и в Солнечной системе – только невероятно далеко от Солнца, в сотни раз дальше Земли и в десятки раз дальше Нептуна. Само собой, протопланетных дисков таких размеров в нашей системе не было. То есть эта суперземля попала туда каким-то экзотическим образом уже после того, как сформировалась поблизости от Солнца. Как же у нас тут все так странно получилось? 

Великое лавирование и Юпитерианский рывок 

Наблюдения за другими планетными системами показали, что такое событие, как миграция планет по системе – то к своей звезде, то подальше от нее, – как ни странно, обычное дело, встречающееся в десятках процентов систем. Целый класс планет, так называемые горячие юпитеры, которых у Солнца нет, существует только за счет миграций к своей звезде. 

Сами по себе газообразные планеты рядом со звездой возникнуть не могут, излучение просто «выносит» легкие элементы в более удаленные зоны. А вот после образования газовый гигант может потерять стабильность орбиты. Например, если он сталкивается с планетезималями, а те постепенно тормозят его вращение вокруг звезды. При падении скорости вращения планета начинает нарезать вокруг своего светила постепенно сужающиеся круги. При этом ее гравитация вышвыривает встречающиеся по дороге объекты из системы. В итоге «горячие юпитеры» часто оставляют свою звезду вообще без планет земного типа, а сами приближаются к ней так близко, что разогреваются до тысяч градусов. 

Из такого сценария ясно: наша система тоже поначалу могла быть совсем иной. Планеты-гиганты не обязательно возникли там, где они сейчас. Поняв это, астрономы построили целый ряд достаточно детальных математических моделей перемещения тел Солнечной системы – и обнаружили неожиданную вещь. 

Выяснилось, что наиболее вероятный, с точки зрения небесной механики, исходный район формирования Юпитера – тот, что был бы совместим с вытянутостью и расположением его нынешней орбиты – находится на удалении всего в 3,5 астрономической единицы от Солнца, то есть в 3,5 раза дальше нынешнего расстояния между Землей и светилом. Между тем сейчас Юпитер находится на среднем удалении в 5,2 астрономической единицы от Солнца, на четверть миллиарда километров дальше. 

Моделирование показало и то, как он туда попал. Исходно столкновения с планетезималями тормозили его вращение вокруг светила, поэтому планета двигалась по орбите медленнее и, соответственно, начала приближаться к ней. На пути «вовнутрь», к Солнцу, гравитация Юпитера прихватила с собой Сатурн. 

К счастью для нас, планеты земного типа формируются медленнее газовых гигантов и завершают свое образование после них. Если бы Земля и Марс уже существовали, им пришлось бы туго. Юпитер остановился всего в 1,5 астрономической единицы от Солнца – то есть был к нему чуть ближе Марса. Сформированные планеты получили бы чересчур сильный импульс от его гравитации, а их орбиты были бы слишком нестабильны. С высокой вероятностью они просто вылетели бы из системы. 

И все же миграция Юпитера принесла серьезные неприятности нерожденным твердым планетам. Его гравитация резко обеднила район орбиты современного Марса. Газ и пыль из этой части протопланетного диска были буквально сожраны Юпитером, часть планетезималей он должен был выкинуть из системы. Район образования Красной планеты был так обеднен материалом, что Марс получил его намного меньше Земли. 

Возникает вопрос: почему Юпитер не остался в 1,5 астрономической единицы от Солнца, а развернулся и пошел обратно? Судя по моделям, Сатурн, двигавшийся вслед за ним, на определенном этапе вступил в орбитальный резонанс с Юпитером. Значит, период двух оборотов Сатурна вокруг Солнца стал равен трем периодам вращения Юпитера (резонанс 3:2 – впрочем, есть вероятность, что он был равен 2:1). 

Наличие орбитального резонанса означает, что тела регулярно «встают» друг напротив друга. Гравитационное взаимодействие между ними резко увеличивается, их орбиты получают серьезные корректировки. Взаимодействие с Сатурном утянуло Юпитер обратно как раз вовремя. Что, если бы гигантская планета не остановилась на 1,5 астрономической единицы, а дошла бы до 1,0 единицы – то есть до орбиты Земли? Или даже дальше? Возможно, в этом случае вопросы задавать было бы некому. Земля была бы небольшой планетой типа Марса, благо «прогулка» Юпитера не оставила бы ей много материала для формирования. Если бы на ней и была жизнь, то вряд ли такая же развитая, как сегодня. 

Солнечная система в представлении художника. Масштаб расстояний между планетами не соответствует реальному и выбран для наглядности / ©Wikipedia

Путешествие Юпитера туда и обратно не могло не повлиять и на Уран с Нептуном. Изначально они находились не далее 17 астрономических единиц от Солнца. Миграции двух «внутренних» планет-гигантов в итоге выбросили внешние на более далекие орбиты. Там они остаются и сегодня: Уран в среднем – в 19 астрономических единицах от светила, а Нептун – в 30. 

Наконец, миграция не прошла даром и для спутников самого Юпитера. Это довольно крупные объекты диаметром в тысячи километров. Если бы они спокойно «стояли на месте» вдали от Солнца, их первичная атмосфера терялась бы гравитационным путем дольше, чем существует наша система. А вот «прогулка» до полутора астрономических единиц сильно разогрела эти атмосферы, из-за чего крупнейшие юпитерианские спутники ее и потеряли. 

Почему у нас нет суперземель и история о потерянном гиганте 

Как видно на иллюстрации выше, суперземли – самый массовый класс планет, но у нас их нет ни одной. Такие планеты формируются быстрее, чем небольшие тела земной группы, поэтому уже к началу миграции Юпитера они в нашей системе могли существовать. В этом случае их ждала незавидная судьба: они должны были быть уничтожены падением на Солнце. 

Оставшийся после этого материал протопланетного диска в областях существования твердых планет Солнечной системы был слишком мал, чтобы сформировать второе поколение суперземель. Все, на что его хватило, – образование четырех планет земной группы, из которых на Землю приходится примерно половина массы. 

Но и это не все. Практически любое моделирование ранних миграций в Солнечной системе показывает, что после них ее нынешняя конфигурация маловероятна – в районе считаных процентов, а то и меньше. Согласно самому вероятному сценарию планеты должны быть на иных орбитах, а вытянутость их орбит должна быть несколько другой. Астрономы долго ломали голову над этой проблемой, пока не попробовали ввести в моделирование дополнительные планеты. 

Оказалось, при наличии в ранней Солнечной системе не четырех – как сегодня, – а пяти планет-гигантов вероятность образования системы в нынешнем облике сильно растет. Почти наверняка около 4,6 миллиарда лет назад таких планет было, на самом деле, пять, а пятая была ледяным гигантом – типа Урана или Нептуна. 

Более того, астрономы Батыгин и Браун, выдвинувшие гипотезу о девятой планете, вращающейся в сотнях астрономических единиц от Солнца, отмечают, что это, скорее всего, и есть крупный объект (или один из них), некогда выброшенный великим путешествием Юпитера туда и обратно. 

Бильярд космических масштабов 

Итак, практически вся архитектура Солнечной системы определена событиями той поры, когда Земли еще не было. На месте, где сейчас находятся Меркурий, Венера, наша планета и Марс, могла быть суперземля – а то и не одна. Планет-гигантов тогда было пять, а не четыре. Хаотическая миграция Юпитера и Сатурна уничтожила все древние суперземли, сбросив их на Солнце, а заодно выкинула «на мороз» нынешнюю девятую планету Солнечной системы. Заодно и сами Юпитер с Сатурном удалились от Солнца, а Уран и Нептун отошли от светила еще больше. 

Из этого видно, что миграция планет-гигантов – ключевой механизм, управляющий сценарием эволюции планетной системы. Те из них, что имеют «горячие юпитеры», вообще могут быть лишены планет земного типа и шансов на обитаемость. Их планеты-гиганты так горячи потому, что их миграция закончилась поблизости от звезды – у них не было своего Сатурна, который смог бы их развернуть. Постоянное пребывание гигантских планет на близких к звезде орбитах делает наличие в обитаемой зоне еще и меньшей по размерам твердой планеты менее вероятным. 

Bce семь плaнeт cиcтeмы TRAPPIST-1 лeгкo впиcывaютcя в opбитaльный путь Mepкуpия / ©v-kosmose

Те системы, где миграции планет-гигантов вовсе не было, получают по несколько суперземель – плотно «упакованных» на близких орбитах. Сходных систем немало в окрестностях Солнца: например, в системе TRAPPIST-1, в 40 световых годах от нас. Пока трудно сказать, насколько они обитаемы, но если они действительно пригодны для жизни, то обитаемых планет в таких системах может быть больше одной, а иногда больше двух. Так это или нет – астрономы могут узнать уже в ближайшие десятилетия. 

До начала массовых открытий экзопланет среди ученых была распространена точка зрения, согласно которой Солнечная система – благоприятное место для образования планет земного типа и жизни. В свете Великого лавирования Юпитера эта гипотеза кажется не вполне оправдавшей себя. Первый набор твердых планет в нашей системе был просто уничтожен. Да и второй набор, планеты типа Земли и Марса, собранные по принципу «по сусекам поскребли, по амбару помели», чудом избежали уничтожения или вышвыривания «на мороз» межзвездного пространства. Похоже, рождение дома для жизни в нашей системе протекало необычайно трудно, а количество пригодных для обитания планет у нас заметно ниже того, что можно было ожидать в более спокойном месте.