[Перевод] Солнечная система приобрела нынешнюю конфигурацию вскоре после своего образования
Привет, читатель! Меня зовут Ирина, я веду телеграм-канал об астрофизике и квантовой механике «Quant». На этот раз подготовила для вас перевод статьи о процессе конфигурации Солнечной системы в то состояние, которое мы наблюдаем сейчас (а самое главное, когда это произошло!)
Приятного чтения.
Модель, разработанная бразильскими исследователями, показывает хаотическую фазу, которая помещает объекты на текущие орбиты.
Гипотеза о том, что Солнечная система возникла из гигантского облака газа и пыли, была впервые выдвинута во второй половине XVIII века немецким философом Иммануилом Кантом и далее развита французским математиком Пьером-Симоном де Лапласом. В настоящее время астрономы единодушны в этом вопросе.
Но и не обошлось без споров. До недавнего времени считалось, что Солнечная система приобрела свои нынешние черты в результате периода турбулентности, который произошел примерно через 700 миллионов лет после ее образования. Однако некоторые из последних исследований показывают, что она сформировалась в более отдаленном прошлом, на каком-то этапе в течение первых 100 миллионов лет.
Исследование, проведенное тремя бразильскими исследователями, дает убедительные доказательства этого более раннего структурирования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Icarus, исследование было поддержано Исследовательским фондом Сан-Паулу — FAPESP. Все авторы связаны с Политехнической школой Государственного Университета Сан-Паулу в Гуаратингете (Бразилия).
Ведущий автор — Рафаэль Рибейро де Соуза. Два других автора — Андре Изидоро Феррейра Да Коста и Эрнесто Виейра Нето, главный исследователь этого исследования.
«Большое количество данных, полученных в результате детального наблюдения за Солнечной системой, позволяет нам с точностью определить траектории многих тел, вращающихся вокруг Солнца, — сказал Рибейро. — Эта орбитальная структура позволяет нам написать историю формирования Солнечной системы. Выйдя из газово-пылевого облака, окружавшего Солнце около 4,6 миллиарда лет назад, гигантские планеты образовались на орбитах, расположенных ближе друг к другу, а также ближе к Солнцу. Орбиты были также более копланарными и более круговыми, чем сейчас, и более взаимосвязанными в резонансных динамических системах. Эти устойчивые системы являются наиболее вероятным результатом гравитационной динамики формирования планет из газообразных протопланетных дисков.»
«Четыре гигантские планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — вышли из газово-пылевого облака на более компактных орбитах, — продолжает Изидоро. — Их движения были сильно синхронны благодаря резонансным цепям, причем Юпитер совершал три оборота вокруг Солнца, а Сатурн — два. Все планеты были вовлечены в эту синхронность, порожденную динамикой первичного газового диска и гравитационной динамикой планет.»
Однако на протяжении всей области формирования внешней Солнечной системы, включающей зону, расположенную за пределами нынешних орбит Урана и Нептуна, Солнечная система имела большое количество планетезималей, небольшие тела из камня и льда считались строительными блоками планет и предшественниками астероидов, комет и спутников.
Внешний планетезимальный диск начал нарушать гравитационное равновесие системы. Резонансы были нарушены после газовой фазы, и система вступила в период хаоса, в котором планеты-гиганты бурно взаимодействовали и выбрасывали материю в космос.
«Плутон и его ледяные соседи были вытеснены в пояс Койпера, где они находятся сейчас, и вся группа планет мигрировала на орбиты, более удаленные от Солнца», — сказал Рибейро.
Пояс Койпера, существование которого было предложено в 1951 году голландским астрономом Джерардом Койпером и позднее подтверждено астрономическими наблюдениями, представляет собой тороидальную структуру, состоящую из тысяч маленьких тел, вращающихся вокруг Солнца.
Разнообразие их орбит не наблюдается ни в одной другой части Солнечной системы. Внутренний край пояса Койпера начинается на орбите Нептуна примерно в 30 астрономических единицах от Солнца. Внешний край находится примерно в 50 астрономических единицах от Солнца. Одна А.Е. равна расстоянию от Земли до Солнца.
Возвращаясь к нарушению синхронности и наступлению хаотической стадии, возникает вопрос, когда это произошло — очень рано в жизни Солнечной системы, когда ей было 100 миллионов лет или меньше, или гораздо позже, вероятно, примерно через 700 миллионов лет после образования планет?
«До недавнего времени преобладала гипотеза поздней нестабильности, — сказал Рибейро. —Датировка лунных камней, привезенных астронавтами «Аполлона», предполагает, что они были созданы астероидами и кометами, врезавшимися в лунную поверхность одновременно. Этот катаклизм известен как «поздняя тяжелая бомбардировка» Луны. Если это произошло на Луне, то, вероятно, также произошло на Земле и других планетах Солнечной системы. Поскольку большое количество вещества в виде астероидов и комет было спроецировано во всех направлениях в Солнечной системе в период планетарной нестабильности, из лунных пород было выведено, что этот хаотический период наступил поздно, но в последние годы идея «поздней бомбардировки» Луны вышла из моды.»
По мнению Рибейро, если бы поздняя хаотическая катастрофа произошла, она уничтожила бы Землю и другие околоземные планеты или, по крайней мере, вызвала бы возмущения, которые поместили бы их на совершенно иные орбиты, чем те, которые мы наблюдаем сейчас.
Кроме того, было обнаружено, что лунные камни, привезенные астронавтами «Аполлона», были произведены одним ударом. Если бы они возникли в конце нестабильности гигантских планет, то были бы доказательства нескольких столкновений, учитывая рассеяние планетезималей планетами-гигантами.
«Отправной точкой для нашего исследования была идея о том, что нестабильность должна быть датирована динамически. Нестабильность могла произойти позже, если бы между внутренним краем диска планетезималей и орбитой Нептуна было относительно большое расстояние, когда газ был исчерпан. Это относительно большое расстояние оказалось неприемлемым в нашей симуляции», — сказал Рибейро.
Этот аргумент основан на простом предположении: чем меньше расстояние между Нептуном и планетезимальным диском, тем сильнее гравитационное воздействие, а следовательно, тем раньше возник период нестабильности. И наоборот, более поздняя нестабильность требует большего расстояния.
«Мы впервые создали модель первичного планетезимального диска. Для этого нам пришлось вернуться к образованию ледяных гигантов Урана и Нептуна. Компьютерное моделирование, основанное на модели, построенной профессором Изидоро [Феррейра Да Коста] в 2015 году, показало, что образование Урана и Нептуна, возможно, произошло в планетарных зародышах с несколькими массами Земли. Массивные столкновения этих Суперземель объясняют, например, почему Уран вращается на боку», — сказал Рибейро, имея в виду «наклон» Урана, причем Северный и Южный полюса расположены по бокам, а не сверху и снизу.
Предыдущие исследования указывали на важность расстояния между орбитой Нептуна и внутренней границей планетезимального диска, но они использовали модель, в которой уже сформировались четыре гигантские планеты.
«Новизна этого последнего исследования заключается в том, что модель не начинается с полностью сформированных планет. Вместо этого Уран и Нептун все еще находятся в стадии роста, и движущей силой роста являются два или три столкновения с объектами с массой до пяти земных масс», — сказал Изидоро.
«Представьте себе ситуацию, в которой образуются Юпитер и Сатурн, но вместо Урана и Нептуна у нас есть от пяти до десяти Суперземель. Суперземли вынуждены газом синхронизироваться с Юпитером и Сатурном, но поскольку их много, их синхронность колеблется, и они в конечном итоге сталкиваются. Столкновения уменьшают их число, делая возможной синхронность. В конце концов, Уран и Нептун остались. В то время как два ледяных гиганта формировались в газе, планетезимальный диск был поглощен. Часть материи была приращена к Урану и Нептуну, а часть перенесена на окраины Солнечной системы. Таким образом, рост Урана и Нептуна определил положение внутренней границы планетезимального диска. То, что осталось от диска, теперь называется поясом Койпера. Пояс Койпера — это в основном пережиток изначального планетезимального диска, который когда-то был гораздо более массивным.»
Предложенная модель согласуется с текущими орбитами планет-гигантов и структурой, наблюдаемой в поясе Койпера. Это также согласуется с движением троянцев, большой группы астероидов, которые разделяют орбиту Юпитера и, по-видимому, были захвачены во время нарушения синхронности.
Согласно статье, опубликованной Изидоро в 2017 году, Юпитер и Сатурн все еще находились в стадии формирования, и их рост способствовал смещению пояса астероидов. Последняя статья является своего рода продолжением, начиная со стадии, на которой Юпитер и Сатурн были полностью сформированы, но все еще синхронизированы, и описывает эволюцию Солнечной системы с этого момента.
«Гравитационное взаимодействие между планетами-гигантами и планетезимальным диском вызвало возмущения в газовом диске, которые распространились в виде волн. Волны создавали компактные и синхронные планетные системы. Когда газ закончился, взаимодействие между планетами и планетезимальным диском нарушило синхронность и породило хаотическую фазу. Принимая все это во внимание, мы обнаружили, что просто не существует условий для того, чтобы расстояние между орбитой Нептуна и внутренней границей планетезимального диска стало достаточно большим, чтобы поддержать гипотезу о поздней нестабильности. Это главный вклад нашего исследования, которое показывает, что нестабильность произошла в первые 100 миллионов лет и, возможно, произошла, например, до образования Земли и Луны», — сказал Рибейро.
