Как зародилась Солнечная система

Пересказ истории рождения нашей Солнечной системы весьма однообразен уже многие годы. Все началось миллиарды лет назад с темного и медленно вращающегося облака газа и пыли. Облако сжималось, образуя в своем центре Солнце. Со временем из остатков газа и твердых обломков, крутившихся вокруг нашей звезды, сформировались восемь планет и множество меньших тел, таких как Плутон. С тех пор планеты кружат вокруг Солнца и их движения точны и предсказуемы, как часовой механизм.

В последнее время астрономы обнаруживают факты, опровергающие эту старую сказку. По сравнению с устройством тысяч недавно обнаруженных экзопланетных систем наиболее характерные черты нашей Солнечной системы — ее внутренние каменистые планеты, внешние газовые гиганты и отсутствие планет внутри орбиты Меркурия — выглядят довольно странно. Моделируя на компьютерах прошлое, мы видим, что эти причуды стали продуктом бурной молодости. Необходимо переписать историю Солнечной системы, включив в нее гораздо больше драмы и хаоса, чем большинство из нас ожидали.

Новый вариант истории повествует о блуждающих планетах, изгнанных из родных мест, о потерянных мирах, сгинувших давным-давно в огненном пекле Солнца, и об одиноких гигантах, заброшенных в холодные глубины у границы межзвездного пространства. Изучая эти древние события и оставшиеся после них «шрамы» — вроде предполагаемой девятой планеты, которая может скрываться за орбитой Плутона, — астрономы выстраивают стройную картину важнейших формообразующих эпох Солнечной системы на фоне нового понимания космических процессов.

Классическая Солнечная система

Планеты— это побочный продукт формирования звезд, протекающего в недрах гигантских молекулярных облаков, превосходящих наше Солнце по массе в 10 тыс. раз. Отдельные уплотнения в облаке под действием гравитации сжимаются, образуя в своем центре светящуюся протозвезду, окруженную широким непрозрачным кольцом из газа и пыли — протопланетным диском.

Многие десятилетия теоретики моделировали протопланетный диск нашего Солнца, пытаясь объяснить одну из важнейших особенностей Солнечной системы: ее деление на группы каменистых и газовых планет. Орбитальные периоды четырех землеподобных планет заключены между 88-дневным Меркурием и 687-дневным Марсом. В отличие от этого известные газовые гиганты находятся на гораздо более далеких орбитах с периодами от 12 до 165 лет и все вместе более чем в 150 раз превосходят по массе планеты земной группы.

Оба типа планет, как полагают, родились в едином процессе формирования, в котором твердые пылинки, мчась в турбулентном вихре газового диска, сталкивались и слипались, образуя тела километрового масштаба — планетезимали (примерно так на неподметенном полу вашей кухни воздушные потоки и электростатические силы скатывают пылевые шарики). Самые крупные планетезимали обладали наибольшим гравитационным притяжением и росли быстрее других, притягивая мелкие частицы к своей орбите. Вероятно, в течение миллиона лет в процессе сжатия из облака протопланетный диск нашей Солнечной системы, как и любой другой во Вселенной, кишел планетными эмбрионами размером с Луну.

Самый крупный эмбрион располагался непосредственно за современным поясом астероидов, достаточно далеко от света и тепла новорожденного Солнца, где в протопланетном диске сохранялись льды. За этой «границей льдов» эмбрионы могли пировать на обильных россыпях планетостроительных льдов и вырастать до огромных размеров. Как водится, «богатые становятся богаче»: крупнейший эмбрион рос быстрее других, выгребая своим гравитационным полем большую часть доступного льда, газа и пыли из окружающего диска. Всего лишь примерно за миллион лет этот жадный эмбрион вырос настолько, что стал планетой Юпитер. Как думали теоретики, то был решающий момент, когда архитектура Солнечной системы разделилась надвое. Отстав от Юпитера, другие планеты-гиганты Солнечной системы оказались мельче, поскольку они росли медленнее, захватывая своей гравитацией лишь тот газ, который не успел захватить Юпитер. А внутренние планеты оказались еще намного мельче, так как они родились внутри границы льдов, где диск был почти лишен газа и льда.

Экзопланетная революция

Когда два десятилетия назад астрономы стали обнаруживать экзопланеты, они начали тестировать теорию формирования Солнечной системы на галактическом масштабе. Многие из первых открытых экзопланет оказались «горячими юпитерами», то есть газовыми гигантами, стремительно обращающимися вокруг своих звезд с периодами всего несколько суток. Существование гиганских планет так близко к пылающей поверхности звезды, где лед совершенно отсутствует, полностью противоречит классической картине формирования планет. Чтобы объяснить этот парадокс, теоретики предположили, что горячие юпитеры формируются вдали, а затем как-то мигрируют внутрь.

Более того, основываясь на данных о тысячах экзопланет, обнаруженных в таких обзорах, как сделанный космическим телескопом NASA «Кеплер», астрономы пришли к тревожному выводу о том, что двойники Солнечной системы весьма редки. Средняя планетная система содержит одну или несколько суперземель (планет, в несколько раз больших Земли) с орбитальными периодами короче примерно 100 суток. А гигантские планеты типа Юпитера и Сатурна встречаются лишь у 10% звезд, и еще реже они движутся по почти круговым орбитам.

Обманутые в своих ожиданиях, теоретики поняли, что «несколько важных деталей» классической теории формирования нашей планетной системы требуют лучшего объяснения. Почему внутренняя область Солнечной системы столь маломассивна в сравнении с ее экзопланетными аналогами? Вместо суперземель в ней мелкие каменистые планеты, и нет ни одной внутри 88-суточной орбиты Меркурия. И почему орбиты планет-гигантов у Солнца такие круглые и широкие?

Очевидно, ответы на эти вопросы кроются в недостатках классической теории формирования планет, не учитывающей изменчивость протопланетных дисков. Оказывается, новорожденная планета, как спасательный плотик в океане, может дрейфовать далеко от места своего рождения. После того как планета подросла, ее гравитация начинает влиять на окружающий диск, возбуждая в нем спиральные волны, гравитация которых оказывает влияние уже на движение самой планеты, создавая мощные положительную и отрицательную обратные связи между планетой и диском. В результате может происходить необратимый обмен импульсом и энергией, позволяющий молодым планетам отправляться в эпическое путешествие по родительскому диску.

Если учесть процесс миграции планет, то границы льдов внутри дисков уже не играют особой роли в формировании структуры планетных систем. Например, планеты-гиганты, рожденные за границей льдов, могут стать горячими юпитерами, дрейфуя к центру диска, то есть путешествуя вместе с газом и пылью по спирали по направлению к звезде. Беда в том, что этот процесс работает даже слишком хорошо и, кажется, должен происходить во всех протопланетных дисках. Тогда как же объяснить далекие орбиты Юпитера и Сатурна вокруг Солнца?

Смена галса

Первый намек на убедительное объяснение дала в 2001 г. компьютерная модель Фредерика Массе (Frederic Masset) и Марка Снэллгроува (Mark Snellgrove) из Лондонского университета королевы Марии. Они моделировали одновременную эволюцию орбит Сатурна и Юпитера в протопланетном диске Солнца. Из-за меньшей массы Сатурна его миграция к центру происходит быстрее, чем у Юпитера, в результате чего орбиты этих двух планет сближаются. В конце концов орбиты достигают определенной конфигурации, известной как резонанс средних движений, при котором Юпитер делает три оборота вокруг Солнца за каждые два орбитальных периода Сатурна.

Две планеты, связанные резонансом средних движений, могут обмениваться друг с другом импульсом и энергией туда-сюда, наподобие межпланетной игры с перебрасыванием горячей картофелины. Из-за согласованной природы резонансных возмущений обе планеты оказывают усиленное гравитационное влияние друг на друга и на свое окружение. В случае Юпитера и Сатурна эта «раскачка» позволила им коллективно воздействовать своей массой на протопланетный диск, создав в нем большой разрыв с Юпитером на внутренней стороне и Сатурном на внешней. Причем из-за своей большей массы Юпитер сильнее притягивал к себе внутренний диск, чем Сатурн— внешний. Парадоксально, но это заставило обе планеты изменить движение и начать удаляться от Солнца. Такую резкую смену направления миграции часто называют сменой галса (the grand tack) из-за сходства с движением лавирующего парусника, идущего против ветра.

В 2011 г., через десять лет после рождения концепции смены галса, компьютерная модель Кевина Уолша (Kevin J. Walsh) и его коллег из Обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция) показала, что эта идея хорошо объясняет не только динамическую историю Юпитера и Сатурна, но и распределение каменистых и льдистых астероидов, а также малую массу Марса. Когда Юпитер мигрировал внутрь, своим гравитационным влиянием он захватывал и перемещал планетезимали на своем пути сквозь диск, сгребая и толкая их перед собой, как бульдозер. Если предположить, что Юпитер, прежде чем повернуть назад, мигрировал к Солнцу до расстояния нынешней орбиты Марса, то он мог перетащить ледяные блоки общей массой более десяти масс Земли в область землеподобных планет Солнечной системы, обогащая ее водой и другими летучими веществами. Этот же процесс мог создать четкую внешнюю границу у внутренней части протопланетного диска, прекратив рост ближайшего планетного эмбриона, который в результате стал тем, что сегодня мы называем Марсом.

Атака Юпитера

Несмотря на то что сценарий смены галса в 2011 г. выглядел весьма убедительным, его отношение к другим неразгаданным тайнам нашей Солнечной системы, таким как полное отсутствие планет внутри орбиты Меркурия, оставалось неясным. По сравнению с другими планетными системами, где плотно упакованы суперземли, наша кажется почти пустой. Неужели наша Солнечная система миновала важнейший этап формирования планет, который мы видим повсюду во Вселенной? В 2015 г. двое из нас (Константин Батыгин и Грегори Лафлин) рассмотрели, как бы могла повлиять смена галса на гипотетическую группу близких к Солнцу суперземель. Наш вывод оказался поразительным: суперземли не пережили бы смену галса. Замечательно, что миграциями Юпитера внутрь и наружу можно объяснить многие свойства планет, которые нам известны, а также и неизвестные.

Когда Юпитер погрузился во внутреннюю область Солнечной системы, своим «бульдозерным» влиянием на планетезимали он должен был нарушить их аккуратные круговые орбиты, превратив их в хаотический клубок пересекающихся траекторий. Некоторые планетезимали должны были сталкиваться с большой силой, разбиваясь на фрагменты, которые неизбежно порождали дальнейшие столкновения и разрушения. Таким образом, миграция Юпитера внутрь скорее всего вызвала каскад столкновений, который разрушал планетезимали, измельчая их до размера валунов, гальки и песка.

Под действием столкновительного трения и аэродинамического сопротивления в загазованной внутренней области протопланетного диска разрушенные планетезимали быстро теряли свою энергию и по спирали приближались к Солнцу. Входе этого падения они легко могли быть захвачены в новые резонансы, связанные с какой-либо из близких к ним суперземель.

Это было бы весьма печально для тех планет, которые оказались бы вынуждены делиться своей орбитальной энергией с паразитическими роями космического мусора. Постоянно тормозясь потоками газа в диске, эти рои должны были бы по спирали быстро падать на Солнце. Но из-за резонанса с суперземлями они задерживались, откачивая орбитальную энергию у планет и рассеивая ее в виде тепла входе аэродинамического торможения. В результате разрушенные планетезимали с безжалостной эффективностью толкали планеты к гибели, постепенно понижая орбиту каждой из них, так что одна за другой все они упали на Солнце. Наши расчеты показывают: ни одна из этих гипотетических планет не сохранилась бы дольше сотни тысяч лет после того, как начался каскад столкновений.

Таким образом, смена галса Юпитера и Сатурна, возможно, вызвала мощную атаку на население первичных внутренних планет Солнечной системы. По мере того как бывшие суперземли падали на Солнце, они должны были оставлять за собой пустынную область в протопланетной туманности, простирающуюся до орбитальных периодов около 100 суток. В результате стремительный маневр Юпитера по молодой Солнечной системе привел к появлению довольно узкого кольца каменистых обломков, из которых через сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы. Приведшее к этой тонкой хореографии стечение случайных событий указывает, что маленькие каменистые планеты типа Земли — а возможно, и сама жизнь на них — должны редко встречаться во Вселенной.

Модель Ниццы

К тому времени, когда Юпитер и Сатурн двинулись обратно из своего набега во внутреннюю часть Солнечной системы, протопланетный газово-пылевой диск уже сильно истощился. В конце концов резонансная пара— Юпитер и Сатурн — сблизилась с недавно сформировавшимися Ураном и Нептуном, а также, возможно, с еще одним телом подобного размера. С помощью гравитационных эффектов торможения в газе динамический дуэт захватил и эти меньшие гиганты в резонансы. Таким образом, когда большая часть газа ушла из диска, внутренняя архитектура Солнечной системы, вероятно, состояла из кольца каменистых обломков в окрестности нынешней орбиты Земли.

Во внешней области системы была компактная резонансная группа по меньшей мере из четырех планет-гигантов, движущихся по почти круговым орбитам между нынешней орбитой Юпитера и примерно половиной расстояния до нынешней орбиты Нептуна. В наружной части диска, за орбитой самой внешней планеты-гиганта, на дальнем холодном краю Солнечной системы двигались льдистые планетезимали. За сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы, а некогда беспокойные внешние планеты пришли в состояние, которое можно было бы назвать стабильным. Однако это еще не было заключительным этапом эволюции Солнечной системы.

Смена галса и атака Юпитера вызвали последний всплеск межпланетного буйства в истории Солнечной системы, нанесли последний штрих, который привел планетную свиту нашего Солнца практически в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня. Этот последний эпизод, названный поздней тяжелой бомбардировкой, произошел между 4.1 и 3,8 млрд лет назад, когда Солнечная система временно превратилась в тир. заполненный множеством сталкивающихся планетезималей. Сегодня шрамы от столкновений с ними видны в виде кратеров на поверхности Луны.

Работая с несколькими коллегами в Обсерватории Лазурного берега в Ницце в 2005 г., один из нас (Алессандро Морбиделли) создал так называемую модель Ниццы, чтобы объяснить, как взаимодействие между гигантскими планетами могло вызвать позднюю тяжелую бомбардировку. Там, где заканчивается смена галса, начинается модель Ниццы.

Близко расположенные друг к другу планеты-гиганты все еще двигались во взаимном резонансе и по-прежнему чувствовали слабое гравитационное влияние окраинных льдистых планетезималей. Фактически они балансировали на грани нестабильности. Накапливаясь за миллионы орбитальных оборотов в течение сотен миллионов лет, каждое незначительное по отдельности влияние внешних планетезималей понемногу меняло движение гигантов, медленно выводя из тонкого баланса резонансов, связывавшего их друг с другом. Переломный момент наступил, когда один из гигантов выпал из резонанса с другим, нарушив тем самым баланс и запустив серию взаимных хаотических возмущений планет, которые сдвинули Юпитер немного внутрь системы, а остальные гиганты — наружу. За короткое по космическим масштабам время в несколько миллионов лет внешняя область Солнечной системы пережила резкий переход от плотно упакованной, с почти круговыми орбитами к рассеянной и неупорядоченной конфигурации с движением планет по широким вытянутым орбитам. Взаимодействие между гигантскими планетами было настолько сильным, что одна или даже несколько из них, возможно, были выброшены далеко за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

Если бы динамическая эволюция на этом остановилась, то строение внешних областей Солнечной системы соответствовало бы той картине, которую мы видим у многих экзопланетных систем, где гиганты движутся вокруг своих звезд по эксцентрическим орбитам. К счастью, диск из льдистых планетезималей, вызвавший до этого беспорядок в движении планет-гигантов, позже помог его ликвидировать, взаимодействуя с их вытянутыми орбитами. Проходя поблизости от Юпитера и других планет-гигантов, планетезимали постепенно отбирали у них энергию орбитального движения и тем самым округляли их орбиты. При этом большинство планетезималей были выброшены за пределы гравитационного влияния Солнца, но некоторые остались на связанных орбитах, образовав диск из льдистого «мусора», который теперь мы называем поясом Койпера.

Девятая планета: окончательная теория

Упорные наблюдения на крупнейших телескопах постепенно раскрывают нам просторы пояса Койпера, демонстрируя его неожиданную структуру. В частности, астрономы заметили своеобразное распределение самых далеких объектов пояса Койпера, движущихся у внешних границ области обзора. Несмотря на большую разницу расстояний от Солнца, орбиты этих объектов плотно сгруппированы, как будто бы все они испытывают общее и очень сильное возмущение. Компьютерное моделирование, выполненное Батыгиным и Майклом Брауном (Michael Е. Brawn) из Калифорнийского технологического института, показало, что такую картину могла бы создать не обнаруженная до сих пор девятая планета с массой раз в десять больше, чем у Земли, движущаяся по весьма эксцентрической орбите вокруг Солнца с периодом около 20 тыс. лет. Такая планета вряд ли могла сформироваться настолько далеко, но ее появление там довольно легко можно понять, если она была заброшена туда в эпоху юности Солнечной системы.

Если существование девятой планеты подтвердится, это резко усилит ограничения на картину эволюции нашей странной — с «дырой» в центре — Солнечной системы и выставит новые требования к теории, которая могла бы объяснить все ее особенности. Сейчас астрономы используют крупнейшие телескопы Земли, пытаясь найти эту загадочную планету. Ее открытие завершило бы предпоследнюю главу в длинной и сложной истории о том, как мы пытались понять наше место во Вселенной. А завершится эта история лишь тогда, когда мы наконец-то найдем планеты с жизнью, обращающиеся вокруг других звезд.

Как секвенирование нитей ДНК раскрывает историю древних миграций человечества по поверхности нашей маленькой планеты, так и компьютерное моделирование позволяет астрономам реконструировать величественную историю путешествий планет за миллиарды лет жизни Солнечной системы. От момента своего рождения в темном молекулярном облаке к формированию первых планет, к разрушительным событиям смены галса, атаки Юпитера и модели Ниццы, к возникновению жизни и сознания вблизи по меньшей мере одной из звезд на просторах Млечного Пути полная биография нашей Солнечной системы станет одним из самых значительных достижений современной науки — и, несомненно, одной из самых грандиозных историй, которые когда-либо были рассказаны.