Ученые открыли уже тысячи планет, вращающихся вокруг других звезд. И новые знания позволили понять удивительные вещи о нашей планетной системе. Во-первых, наша Солнечная система – редкость. Подобная конфигурация планет встречается в космосе не чаще, чем 1 к 2000. Во-вторых выяснилось, что формирование планет представляет собой динамический процесс. И он характеризуется крупномасштабным орбитальным дрейфом. А также сильными столкновениями и выбросом молодых планет в межзвездное пространство. И второй пункт может объяснить первый. То есть то, почему наша Солнечная система сформировалась именно таким, мало распространенным способом.
Цель ученых сейчас – понять, как образуются планеты. Это нелегкая задача, учитывая, что мы живем в такой странной системе. Но компьютерные модели помогают достаточно реалистично моделировать рост планетных систем. Появляется картина, хотя пока еще неполная, о том, как формируются планеты в более широком, галактическом контексте. Моделирование показывает, что небольшие расхождения на ключевых этапах роста планет могут привести к существенным различиям в полностью сформированных системах. Структура нашей системы позволяет понять, по какому пути она шла в критических точках своего развития.
Как все начинается
Исследователи планет считают, что в дисках газа и пыли, кружащихся вокруг молодых звезд, возникновение планет выглядит следующим образом: зерна пыли превращаются в гальку. Камешки дрейфуют сквозь диск и слипаются в планетезимали размерами до 100 километров. Это астероидоподобные объекты. Планетезимали и присоединяющиеся к ним дрейфующие камни превращаются в планетарные зародыши с массой, равной или большей, чем у Марса.
Массивный эмбрион начинает обмениваться моментами импульса с газообразным диском, вызывая сокращение (или, реже, рост) своей орбиты в процессе, называемом миграцией. И некоторые особенно крупные зародыши захватывают большое количество газа и становятся гигантскими планетами. Спустя несколько миллионов лет газ в диске рассеивается. Это в большинстве систем вызывает фазу нестабильности. Растущие скалистые планеты могут подвергаться гигантским столкновениям, таким как воздействие, которое сформировало нашу Луну.
Нестабильность среди планет-гигантов еще более экстремальна. И обычно ее кульминацией является выброс одной или нескольких планет в межзвездное пространство.
Чтобы соединить все эти части воедино, ученым нужно понять взаимосвязь между различными фазами роста планет. В разное время, в разных местах и в разных масштабах. Долгое время астрономы предполагали, что планеты формировались просто на одном месте. Теперь они знают, что это даже близко не соответствует действительности. Исследователи считают, что только описанные выше ключевые процессы (орбитальная миграция и динамическая нестабильность) являются основными архитекторами планетных систем.
Таксономия планетных систем
В ходе исследований популяций экзопланет выяснилось, что суперземли (имеющие массы между массами Земли и Нептуна) являются наиболее распространенным их типом. Около половины всех звезд имеют супер-Землю, вращающуюся вокруг них. И находится она к ним, как правило, ближе чем Меркурий к Солнцу. А области пространства, эквивалентные области нашей Солнечной системы полностью пусты. Как же все эти экзопланеты попали туда?
Миграция обычно приводит к сокращению орбит планетарных эмбрионов. Поэтому естественно было бы предположить, что именно миграция, возможно, сыграла в этом свою роль. Давайте предположим, что строительные блоки суперземель и их систем похожи на те, которые формировали Солнечную систему. Они имеют небольшие скалистые зародыши, населяющие внутреннюю область. И большие зародыши, формирующиеся за снежной линией. Это граница, за пределами которой температура достаточно холодная, чтобы лед мог использоваться в качестве строительного блока. Большие зародыши могут мигрировать внутрь к внутреннему краю диска, который действует как ловушка миграции.
Орбитальные резонансы
Разработанные модели показывают, что последовательные мигрирующие эмбрионы не сталкиваются. А попадают в орбитальные резонансы, в которых периоды обращения соседних планет образуют отношения целых чисел. Например, в резонансе 3:2 внешняя планета завершает две орбиты за время, которое требуется внутренней планете для завершения трех.
Миграция естественным образом порождает цепи, в которых каждая пара соседних планет находится в резонансе, частично стабилизируемая газообразным диском. И поэтому когда газ рассеивается, цепи разрываются. Но иногда орбитальные паттерны сохраняются и после исчезновения газа. Было обнаружено несколько примеров таких резонансных систем, таких как система TRAPPIST-1, в которой размещены семь плотно расположенных планет размером с Землю.
Модель «разрыва (резонансных) цепей» соответствует измеренным свойствам суперземель. Гигантские экзопланеты также подходят для этой модели. Они обычно встречаются на вытянутых, эксцентричных орбитах. В этих системах несколько газовых гигантов, вероятно, первоначально образовались на круговых орбитах. Вложенные в свои газообразные диски, они мигрировали в резонансы. После рассеивания газового диска резонансные системы стали нестабильными. Это привело к рассеянию планет и выбросу одной или нескольких из них из системы. Выжившие планеты оказались на эксцентричных орбитах. Они имеют на своих поверхностях следы бурного прошлого своих систем.
Неправильный Марс
Хотя наша Солнечная система необычна, на ней тоже есть свои шрамы от активного прошлого. Конфигурация знакомых нам планет обретает больше смысла, если рассматривать ее в контексте новых моделей.
Несколько линий доказательств указывают на нестабильность на орбитах планет – гигантов. Она была бы естественным образом вызвана, если бы они мигрировали в резонансную цепь. В течение десятилетий исследования формирования планет страдали от проблемы маленького Марса. Классическая модель формирования планет предполагает, что планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) выросли из диска планетарных эмбрионов и планетезималей, которые простирались от орбиты Меркурия до Юпитера. Тем не менее при моделировании этой модели систематически получается неправильный Марс. Такой же массивный, как Земля. То есть на порядок больший, чем настоящий Марс.
Теории образования
Было предложено три решения проблемы малого Марса. Модель Grand Tack, разработанная в 2011 году, предполагает, что Юпитер сначала мигрировал внутрь Солнечной системы. А затем вернулся назад, очистив большую часть скалистого материала из области Марса. Пояс астероидов был опустошен и затем снова пополнен мигрирующим Юпитером.
Модель пояса астероидов с малой массой, созданная исследователями из Калифорнийского университета, Лос-Анджелеса и Цюрихского университета, предполагает, что планетезимали образовались в узком кольце между современными орбитами Венеры и Земли. В этой модели Марс представляет собой эмбрион, выгнанный из кольца и лишенный пищи. Наконец, модель ранней нестабильности, разработанная в 2018 году в Университете Оклахомы, гласит, что нестабильность планет возникла сразу после рассеивания газообразного диска, истощая область Марса, но не затрагивая зону Земли и Венеры.
Каждая модель соответствует массам земных планет, орбитам и предполагаемым временным масштабам формирования. А также наблюдаемой структуре пояса астероидов. И все же у каждой из них есть потенциальная ахиллесова пята. В случае с моделью Grand Tack неясно, жизнеспособна ли теория миграции Юпитера в реалистичных дисках и сценариях формирования. Для модели пояса астероидов с малой массой неясно, действительно ли образуются кольца планетезималей. Для модели Ранней Нестабильности мы недостаточно знаем о времени нестабильности Солнечной системы. Используя все доступные ресурсы, от исследований экзопланет до анализа метеоритов и компьютерного моделирования, следующие шаги должны выяснить, какая из этих моделей может представлять истинное прошлое нашей планетной системы.
Как все происходило
Но уже сейчас мы можем предположить события, которые сделали нашу Солнечную систему странной. Юпитер, должно быть, быстро вырос и испытал нехватку материала во внутренней Солнечной системе. Он впитывал все камни, перемещающиеся внутрь системы. Это препятствовало тому, чтобы земноподобные эмбрионы становились достаточно массивными для миграции. Но позднее Юпитер заблокировал внутреннюю миграцию Урана и Нептуна, которых можно считать неудавшимися суперземлями.
Однако миграция Юпитера не могла приблизить его слишком близко к области планет земной группы. Иначе рост Земли был бы сильно нарушен. Возможно, как и в модели Grand Tack, Юпитер сдерживался присутствием Сатурна. Точно так же нестабильность Юпитера не могла быть слишком сильной. Согласно полученным моделям, нестабильность включала сильное гравитационное рассеяние между Юпитером и неким ледяным гигантом (родной брат Урана и Нептуна, который впоследствии был изгнан из системы). Но Сатурн и Юпитер никогда не расходились друг с другом. Земля не выжила бы, если бы этот процесс произошел.
Уникальна ли Солнечная система?
Все модели говорят нам, что планетарное образование – это динамический процесс. Он характеризуется большой нестабильностью и резкими движениями. Неудивительно, что в космосе существует множество самых разных систем. Мы долго задавались вопросом – так нормальна ли наша Земля или она необычна? Ответ таков: процессы, формирующие нашу Солнечную систему, были обычным явлением. Но результат был необычным. Поэтому пока неизвестно, уникальна ли наша Солнечная система.