Пятый гигант: как потерянная планета могла спасти спутники Юпитера и Урана

На протяжении многих лет астрономы подозревали, что наша Солнечная система могла потерять по крайней мере один мир за свою 4,5-миллиардную историю. И теперь новое исследование предполагает, что спутники Юпитера и Урана действительно могут указывать на то, что в нашем планетном соседстве когда-то был третий ледяной гигант.

Данные показывают, что от 3 до 4 миллиардов лет назад крупнейшие планеты Солнечной системы, вероятно, вращались гораздо ближе к Солнцу (и друг к другу), чем сегодня. Также предполагается, что четыре планеты-гиганта — Юпитер, Уран, Сатурн и Нептун — постепенно сместились на свои нынешние орбиты в результате серии гравитационных взаимодействий друг с другом. Имея это в виду, исследователи провели несколько симуляций, чтобы изучить, как вся эта борьба за положение могла повлиять на спутники Юпитера и Урана в частности. Результаты показывают, что спутники этих двух планет пережили то бурное время только благодаря гигантской планете, которой больше нет.

Как выглядела ранняя Солнечная система?

Клемент и его коллеги провели компьютерные симуляции 122 возможных версий ранней внешней Солнечной системы, используя различные начальные комбинации планет и различные сценарии их миграции. Они запускали каждую смоделированную версию истории Солнечной системы несколько раз, отмечая, какие версии с большей вероятностью приводили к чему-то похожему на внешнюю Солнечную систему, какую мы знаем сегодня. В частности, исследователей интересовали спутники газового гиганта Юпитера и ледяного гиганта Урана.

«Считается, что планетарные встречи и последующие изменения орбит сыграли ключевую роль в формировании многих популяций малых тел по всей Солнечной системе», — написали Клемент и его коллеги в своей недавней статье. Другие группы астрономов искали ключи к перемещениям планет-гигантов на орбитах астероидов и других малых объектов, изучая их как отпечатки ног, чтобы реконструировать, как они могли быть вытолкнуты или притянуты на свои нынешние орбиты гравитацией движущихся планет-гигантов. Спутники Юпитера и Урана дают особенно хороший набор подсказок, потому что они, вероятно, находились более или менее на своих нынешних орбитах вокруг своих планет на протяжении большей части истории Солнечной системы. Спутники Юпитера находятся в цепочке орбитальных резонансов, которые могли образоваться только в результате того, что луны в течение долгого времени нежно подталкивали друг друга, а записи о кратерах также предполагают, что спутники Юпитера очень и очень стары.

Как выжили спутники и при чём здесь потерянная планета

Мы живём в маловероятной Солнечной системе

Как оказалось, Юпитер и Уран вообще везучие, что у них есть свита спутников. Спутники Юпитера пережили эпоху мигрирующих гигантов менее чем в 15% симуляций; спутники Урана выживали только в 9% случаев. Фактически, сценарии, которые были благоприятны для одного набора спутников, как правило, были плохи для другого: спутники Юпитера имели больше шансов в симуляциях, которые начинались с двумя дополнительными ледяными гигантами, в то время как спутники Урана выживали чаще, когда был один, но более крупный ледяной гигант. Вероятность того, что спутники обоих гигантов переживут один и тот же сценарий, составляет всего около 1%. Клемент и его коллеги нашли только два сценария, в которых спутники обеих планет выжили, и оба включали одного дополнительного ледяного гиганта в начале.

«Солнечная система является результатом довольно маловероятной эволюционной нестабильности», — написали Клемент и его коллеги. Иными словами, представьте доктора Стрэнджа, мрачно поднимающего два пальца во время той сцены битвы в «Мстителях: Война бесконечности».

Тайный давно потерянный ледяной гигант

По наиболее вероятному сценарию, Солнечная система начиналась с пяти планет-гигантов: четырёх больших, которых мы знаем и любим сегодня, плюс дополнительный ледяной гигант — своего рода Пит Бест среди планет (участник, который был «уволен» до славы группы). Где-то в первый миллиард лет или около того существования Солнечной системы миграция Юпитера приблизила его к несчастному ледяному гиганту на расстояние около 7 миллионов километров, придав ему достаточно гравитационного толчка, чтобы достичь второй космической скорости. Этот давно потерянный ледяной гигант, вероятно, всё ещё дрейфует где-то там, в межзвёздном пространстве — холодный и одинокий.

Тот факт, что ледяной гигант был изгнан из Солнечной системы, не является причиной того, что спутники Юпитера и Урана избежали подобной участи. Но сам факт того, что ледяной гигант когда-то существовал, изменил ход миграции других четырёх планет ровно настолько, чтобы избавить Уран от более чем одного умеренно близкого столкновения с гравитацией другого гигантского мира — и сделал тот период миграции короче, чем он был бы в противном случае.

Что произошло с Юпитером и Ураном?

Близкая встреча Юпитера с давно потерянным ледяным гигантом была бы достаточна, чтобы немного нарушить орбиты его спутников, нарушив ту изящную цепочку орбитальных резонансов, но недостаточно, чтобы заставить их столкнуться друг с другом или выбросить в межпланетное пространство (Клемент и его коллеги утверждают, что у них было время постепенно восстановить свои резонансы). Тем временем Уран и его спутники, вероятно, пережили по крайней мере два крупных потрясения: одно, когда что-то большое врезалось в планету и опрокинуло её на бок, и ещё одно во время миграции планет-гигантов. Но хотя оба инцидента, вероятно, вызвали несколько драматических столкновений между спутниками, их сила не была достаточной, чтобы полностью разрушить системы.

Почему мы, возможно, никогда не узнаем всех подробностей?

Во время своих симуляций Клемент и его коллеги протестировали несколько параметров, варьируя количество и массу планет-гигантов в Солнечной системе, их начальные орбиты и общую массу объектов в поясе Койпера, но, как они написали, «наиболее релевантным варьируемым параметром является начальное количество ледяных гигантов». Однако Клемент и его коллеги отмечают, что симуляции так называемой «Ницца-модели» (Nice model), с которыми они работали, являются стохастическими, то есть существует элемент случайности в том, что происходит после того, как движущиеся объекты начинают взаимодействовать. И это означает, что вполне вероятно, что ни одна из их симуляций не воссоздаёт в точности то, что произошло — только общую идею.

«Весьма вероятно, что ни одна из смоделированных нестабильностей в литературе не содержит точной последовательности встреч, необходимых для точного воспроизведения всех аспектов Солнечной системы», — написали исследователи. Но симуляция даёт сильный намёк на общую картину, такую как присутствие целой другой планеты, теперь потерянной в пустоте.

Новые вопросы и перспективы исследований

Это исследование, проведённое планетологом Университета Джонса Хопкинса Мэттью Клементом и его коллегами, опубликованное в журнале Icarus, открывает захватывающую перспективу. Если эта гипотеза верна, то в межзвёздном пространстве может дрейфовать бывшая планета нашей Солнечной системы, размером с Уран или Нептун, хранящая тайны ранних этапов формирования планет. Современные телескопы, такие как «Джеймс Уэбб», теоретически способны обнаружить такие объекты, если они случайно окажутся на пути, но вероятность этого крайне мала. Однако даже без прямого обнаружения эта работа меняет наш взгляд на динамику ранней Солнечной системы. Она показывает, насколько хрупкими и случайными были условия, позволившие сформироваться той планетной конфигурации, которую мы видим сегодня. Возможно, наше космическое окружение — не продукт неизбежной эволюции, а результат редкого стечения обстоятельств. И, быть может, не только спутники, но и само существование жизни на Земле связано с тем, что когда-то давно пятый гигант был изгнан, предоставив остальным планетам возможность обрести стабильность. Вопросов становится только больше, но в том и прелесть большой науки.