Гиганты прорыли траншеи в астероидах

Пока астрономам была известна всего одна планетная система – наша собственная, Солнечная, о каких-то общих закономерностях в их образовании и изменении со временем и говорить было как-то не с руки. Судить о явлении, не имея на руках целого набора его реализаций, физики не могут – в отличие, например, от палеонтологов, способных подчас восстановить полный облик и даже обрисовать среду обитания вымершего животного по одному фрагменту его зуба.

Но палеонтологам проще: на их стороне статистика. Шансы на то, что до наших дней дошли останки именно типичного представителя вымершей группы животных, а не какого-то урода в своём семействе, – миллионы и миллиарды к одному. (Эти шансы – порядка отношения общего количества нормальных особей к числу уродов, помноженному на число найденных окаменелостей.) Ну а уж коль скоро это типичный представитель, то все его черты отточены долгими годами эволюции и естественного отбора, законы которых мы хотя бы в общих чертах понимаем.

А в астрономии… Ну, есть одна планетная система, и есть, что ж с ней сделаешь? Может, типичный представитель, а может, и нет; поди разберись.

Как выяснилось в последние 10–15 лет, Солнечная система – скорее «урод», даже с поправкой на эффекты наблюдательной селекции.

Сейчас мы знаем примерно сотню планетных систем, и большинство из них, за редкими исключениями, совсем не похожи на нашу.

Самая поразительная их черта – наличие крупных планет в непосредственной близости от светил, и эта черта требует своего объяснения. Планета, похожая на Юпитер, просто не может сконденсироваться на том же расстоянии от своей звезды, на каком от Солнца находится Меркурий, – здесь слишком жарко. На небе же мы видим так называемые «горячие юпитеры», которые могут подходить к своим звёздам ещё ближе.

Наиболее правдоподобным объяснением наблюдательным фактам считают теорию планетной миграции – значительного (и быстрого) изменения орбит планет в ранней молодости системы, пока протопланетный диск, из которого она образовалась, ещё не рассеялся, а сами планеты не «устаканились» на каких-то устойчивых орбитах. Именно гравитационное взаимодействие планет друг с другом и с частицами диска, размерами от пылинок до булыжников и утёсов, и заставляет планеты мигрировать – как ближе к звезде, так и вдаль от неё, в зависимости от начальных условий.

Теория планетной миграции оформилась ещё в 60-х годах прошлого века, когда в небесную механику пришли электронно-вычислительные машины и стало возможным обсчитывать эволюцию систем из многих тел на значительных промежутках времени. За последующие пару десятилетий астрономы выявили основные механизмы и закономерности процесса миграции. Однако настоящий расцвет теории пришёлся на последние годы и связан в первую очередь с обнаружением сотен планет у других звёзд.

Были и попытки применить теорию миграции к нашей родной Солнечной системе.

Астрономы полагают, что в первые миллионы (а может, и сотни тысяч лет) после образования из протопланетного облака 4,568 миллиарда лет назад планеты-гиганты также не остались в стороне от процесса миграции. Предполагается, что Юпитер немного, на несколько процентов своего орбитального радиуса, подвинулся к Солнцу. А Нептун, напротив, удалился, притом значительно – его орбита «распухла» примерно на четверть. Сатурн и Уран тоже скорее шли наружу, чем внутрь, но вот масштабы их миграции пока определить сложнее. О перемещениях мелких планет земной группы и вовсе почти ничего не известно.

Но Солнечная система дана нам в одном экземпляре, а следим мы за ней какие-то тысячи лет – ничтожный срок в сравнении с миллиардами лет её истории. Можно ли проверить гипотезы астрономов о миграции? Не пустое ли всё это?

Оказывается, можно: миграция планет 4,6 миллиарда лет назад оставила след, который Солнечная система хранит и поныне.

Дэвид Майнтон и Рену Мальхотра из Университета американского штата Аризона нашли этот след в распределении тел главного пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера. Статья учёных опубликована в последнем номере Nature.

Ещё в середине XIX века американский астроном Дэниел Кирквуд заметил неоднородность в распределении малых планет по размеру (большой полуоси) их орбит. В этом распределении есть несколько провалов, которые сейчас называют «люками Кирквуда». Сам первооткрыватель нашёл и объяснение подмеченной им структуре: частицы с орбитами в «люках Кирквуда» попадают в резонанс с движением планет-гигантов, в первую очередь Юпитера, а это дестабилизирует их движение.

Майнтон и Мальхотра смоделировали образование таких люков, просчитав эволюцию пояса астероидов от момента образования Солнечной системы до наших дней. Астрономы ограничились лишь самыми крупными объектами, размером от примерно 50 км и выше: во-первых, на них почти не действуют дополнительные силы вроде эффекта Ярковского, а во-вторых, все такие астероиды должны нам быть известны. При этом учёные учитывали притяжение со стороны планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна; они отдельно проверили, что влияние планет земной группы сводится к простому изъятию из обращения всех астероидов, заходящих внутрь орбиты Марса (в конечном итоге они сталкиваются с внутренними планетами или падают на Солнце).

Как оказалось, довольно скоро распределение частиц по размерам орбит принимает приблизительно современный вид, и в нём чётко отпечатываются все «люки Кирквуда». Но между расчётной и наблюдаемой гистограммами есть одно различие, которое тут же бросается в глаза.

Теоретические «люки» – это почти прямоугольные траншеи. Края реальных больше напоминают пологие склоны заросших травой рвов.

.

По мнению авторов работы, стенки траншей порушила миграция планет, а точнее – сопровождавшее её перемещение резонансных зон. В первую очередь, речь идёт о Юпитере и Сатурне, резонансы которых, как два бульдозера, прошлись по поясу астероидов: один – внутрь, другой – наружу, в полном соответствии с предсказаниями теории миграции.

Чтобы удостовериться в своём выводе, учёные повторили моделирование, включив в расчёты миграцию планет-гигантов, как её сейчас понимает теория. Юпитер у них подвинулся на 0,2 астрономической единицы (30 млн км) к Солнца, Сатурн, Уран и Нептун – отодвинулись от него (на 0,8, 3 и 7 а. е. соответственно). Такое перемещение могло произойти всего за полмиллиона лет, хотя продолжительность процесса оценить сложнее, чем пройденные расстояния.

Распределение, рассчитанное с учётом миграции, оказалось статистически почти неотличимым от наблюдаемого.

На нём проявились и отдельные детали, и общее сглаживание краёв ям, и их скособоченность в одну сторону от Солнца.

В целом пояс астероидов поредел в несколько раз – большая часть малых тел были потеряны. При этом значительная часть дестабилизированных астероидов устремилась во внутренние части Солнечной системы, где могла стать причиной так называемой поздней тяжёлой бомбардировки – массированного «обстрела» Луны метеоритами и астероидами около 3,9 миллиардов лет назад, следы которого до сих пор остались на нашей соседке. Наверняка под тот же обстрел попала и Земля, а также другие планеты земной группы, только на них эти шрамы не сохранились.

Майнтон и Мальхотра уверены, что им удалось нащупать новый способ исследования истории Солнечной системы – следы, которые миграция планет-гигантов оставила в поясе астероидов. Пока они ограничились единственным параметром – размером орбиты, но ведь есть ещё их вытянутость, наклон, ориентация плоскости и так далее.

Если та же модель миграции сможет объяснить распределение и этих величин, ей цены не будет. А если не сможет – ещё лучше: ведь в этом случае можно будет подобрать более точную модель, которая расскажет о прошлом Солнечной системы ещё подробнее.