Солнечная система, которую мы знаем сегодня, с ее восемью планетами на относительно стабильных орбитах, скрывает гораздо более бурное прошлое. Новое исследование опубликовано в журналеИкарпредполагает, что за первые 100 миллионов лет существования в нашем космическом окружении могло быть до шести планет-гигантов. Два из них будут суперземлями, мирами с массами, промежуточными между Землей и Нептуном, которые в конечном итоге были выброшены в межзвездное пространство после сильных гравитационных взаимодействий.
Этот вывод сделан на основе подробного компьютерного моделирования, в ходе которого было проверено более 120 возможных эволюционных траекторий ранней Солнечной системы. В международную команду, возглавляемую Мэтью Клементом из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, входил бразильский исследователь Рожерио Дейенно из Юго-Западного исследовательского института. Результаты показывают, что присутствие этих дополнительных планет имело решающее значение для объяснения нынешней конфигурации спутников газовых гигантов.
Во время так называемой нестабильности планет-гигантов, периода орбитального хаоса, произошедшего через сотни миллионов лет после образования Солнца, тесные столкновения между этими мирами вызвали полную реорганизацию. Дополнительные планеты действовали как гравитационные буферы, снижая риск катастрофических столкновений, которые могли бы полностью разрушить лунные системы Юпитера и Урана. Без них вероятность одновременного выживания обычных спутников этих планет резко падает, ниже 15% во многих смоделированных сценариях.
Особого внимания в этом контексте заслуживают спутники Урана. Миранда, одна из самых маленьких и самых интригующих, демонстрирует поверхность, отмеченную разломами, скалами и регионами, которые, кажется, были перестроены. Натан Кайб, соавтор исследования и ученый из Института планетарных наук, объясняет, что взаимодействие с потерянными суперземлями породило нестабильность, которая привела к многочисленным эпизодам столкновений и фрагментаций между первоначальными спутниками. То, что мы видим сегодня, было бы результатом реконструкций после этих разрушений.
Эта модель отличается от предыдущих предложений, в которых обычно рассматривались только четыре или пять гигантов. Новый анализ подтверждает, что нынешняя Солнечная система является продуктом маловероятной эволюции. Очень близкие сближения, на расстояниях менее 0,02 астрономических единиц в некоторых случаях, практически гарантировали разрушение спутниковых систем. Исследователи определили только один сценарий, при котором спутники Юпитера и Урана выживают вместе с более мелкими планетами.
Что луны рассказывают о жестоком прошлом
Луны функционируют как динамические окаменелости. Их орбиты и состав свидетельствуют о древних возмущениях. В случае с Ураном исследование предполагает, что планета, вероятно, испытала как минимум две значительные нестабильности: одна связана с ударом, вызвавшим наклон ее оси вращения, а другая – во время гигантской нестабильности. Эти события объясняют, почему ледяной состав Миранды выглядит как геологическое «лоскутное одеяло», состоящее из материалов разного происхождения, собранных вместе после столкновений.
Что касается Юпитера, моделирование показывает, что сценарии с двумя дополнительными гигантами меньшего размера обеспечивают лучшие условия выживания для его больших спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Резонанс Лапласа между ними, существующий и сегодня, вероятно, не сохранился бы, если бы система испытала крупномасштабные разрушительные столкновения.
Последствия для формирования планет
Это видение более населенной ранней Солнечной системы совпадает с тем, что астрономы наблюдают в других звездных системах. Суперземли часто встречаются вокруг других звезд, их часто обнаруживают такие миссии, как «Кеплер» и TESS. В нашем случае их отсутствие сегодня ставит вопросы о том, как ранняя динамическая среда повлияла на развитие внутренних скалистых планет и распределение вещества в протопланетном диске.
Выброс этих дополнительных миров также способствует пониманию существования планет-изгоев, которые бродят по межзвездному пространству без родительской звезды. Некоторые из этих недавно обнаруженных объектов могут иметь сходное происхождение с затерянными в нашей системе суперземлями.
В работе также подчеркивается роль планетарной миграции и близких контактов. Такие модели, как Модель Ниццы, описывающая реорганизацию гигантов, становятся более надежными благодаря этим подробностям о спутниках. Без дополнительных гравитационных буферов Юпитер или Уран могли бы потерять большую часть своих спутников, радикально изменив внешний вид Солнечной системы, которую мы наблюдаем.
Почему это важно для современной астрономии
Понимание этого хаотического прошлого помогает уточнить моделирование формирования планет и интерпретировать данные будущих космических миссий. Такие зонды, как Europa Clipper НАСА, который будет изучать спутники Юпитера, а также возможные миссии к Урану и Нептуну, получат выгоду от более точного контекста истории этих систем. Кроме того, исследование подтверждает важность бразильских исследователей в международной планетарной науке.
Рожерио Дейенно внес свой вклад в изучение динамики внешней Солнечной системы, помогая проверить сценарии, которые лучше всего объясняют текущие наблюдения. В документе проверялись гипотезы, которые напрямую связывают хрупкость спутников Урана с наличием дополнительных планет, предлагая путь к устранению расхождений между различными моделями эволюции.
Хотя выброшенные планеты больше нельзя наблюдать напрямую, их влияние остается запечатленным в наклонных орбитах, резонансах и неправильном составе нескольких лун. Солнечная система — не статический реликварий, а результат бурного детства, сформировавшего условия для жизни на Земле и разнообразие миров, которые мы до сих пор исследуем.
Будущие исследования, с использованием более точных данных телескопов, таких как Джеймс Уэбб, или специальных миссий, могут искать косвенные доказательства этих событий, такие как химические признаки или распределение объектов в поясе Койпера. На данный момент моделирование показывает, что наша Солнечная система в молодости была гораздо более плотной и жестокой средой, чем мы себе представляли.