Знание-сила, 2014 №07

Да, мы привыкли считать Солнечную систему оплотом стабильности и покоя. Но такой она была не всегда. В ранний период своей истории она пережила бурные изменения. Кажется, что ни один уголок нашей космической обители не уцелел в лихую годину тех потрясений. Планеты, кометы и астероиды срывались с привычных мест и метались по космическим просторам, словно предметы, разметанные землетрясением. Что же заставило небесные тела, сотни миллионов лет кружившие по предначертанным орбитам, внезапно устремиться в центральную часть Солнечной системы? Почему через полмиллиарда лет после возникновения Солнца и планет в их размеренном мирке воцарился хаос?

Лишь в начале 2000-х годов благодаря работам астрономов из Обсерватории Лазурного берега в Ницце и, прежде всего, Алессандро Морбиделли удалось прояснить загадочные события, происходившие тогда. Так родилась «модель Ниццы», опровергавшая многое из того, что мы узнали за последние два с лишним века об эволюции планет. Ведь еще недавно было принято считать, что после своего формирования, завершившегося около 4,6 миллиарда лет назад, наша Солнечная система не претерпела особых изменений. Астрономы априори полагали, что все планеты и теперь еще кружат по тем самым орбитам, по которым двигались в то время, когда они зародились. В центральной части нашей планетной системы извечно располагались каменные шары — планеты земного типа и астероиды, а на ее периферии все это время находились газовые планеты-гиганты и ледяные кометы.

Эта классическая картина уже отжила свое. Как явствует из «модели Ниццы», молодость Солнечной системы была поистине временем «бури и натиска». Планеты тогда, словно бильярдные шары, перекатывались по ее просторам, всюду внося смуту. Этот хаос достиг своей кульминации через 600 миллионов лет после зарождения Солнечной системы, когда, как огромная стая вспугнутых птиц, в сторону Солнца устремились астероиды, один за другим натыкаясь на находившиеся здесь планеты. Лишь после этого в окрестности Солнца воцарилось спокойствие.

В 2005 году Морбиделли и его коллеги опубликовали новую концепцию истории Солнечной системы на страницах журнала Nature. За последние годы эта гипотеза не раз уточнялась и корректировалась, превратившись в достаточно стройную теорию, объясняющую, каким образом планеты, их спутники и астероиды оказались там, где мы видим их теперь.

Итак, в ранней период своей истории Солнце окружал плотный газопылевой диск. По прошествии нескольких миллионов лет подобные диски вокруг молодых звезд исчезают, как свидетельствуют наблюдения, выполненные Космическим телескопом имени Хаббла. Внутренняя часть диска бывает настолько разогрета, что такие вещества, как вода и метан, могут существовать здесь лишь в газообразном виде. Только на периферии диска, на расстоянии примерно трех астрономических единиц от звезды, пролегает граница, за которой вода может существовать в виде снега и льда.

Именно там, полагает Морбиделли, образовались первые четыре зародыша планет. Согласно «модели Ниццы», все планеты-гиганты зародились довольно близко от Солнца — на расстоянии от 5 до 15 астрономических единиц от него. Вероятно, они состояли лишь из одного твердого ядра, которое весило в несколько раз больше, чем Земля. Они все активнее поглощали окружавшие их газовые массы, стремительно разрастаясь. Из этой четверки планет особенно быстро росли две ближайшие к Солнцу. Содержание водорода и гелия в них стремительно увеличивалось. Две внешние планеты прибавляли в размерах гораздо медленнее. Иным был и их химический состав; они содержали преимущественно метан, аммиак и воду. Объединяло все эти планеты то, что они обращались вокруг Солнца по круговым орбитам, которые лежали в его экваториальной плоскости. Если бы их орбиты выглядели иначе, то планеты двигались бы по ним намного быстрее и не успели бы так разрастись и превратиться в настоящих космических гигантов.

Однако под действием силы притяжения газопылевого диска их орбиты постепенно изменились. Самая большая из планет, Юпитер, первой сошла с предначертанного ей круга. Медленно перемещаясь по своей новой — уже спиральной — орбите, она приближалась к Солнцу, а в протопланетном диске по мере ее движения образовалась круговая полоса, очищенная от газа и пыли. Так ледокол движется среди плавающих на его пути льдин, оставляя позади себя чистый фарватер.

Пока астрономы, сторонники этой модели, не знают, насколько далеко Юпитер продвинулся к Солнцу на той ранней стадии развития нашей планетной системы. Возможно, он достиг орбиты, по которой обращается сегодня Марс. В то время планеты земного типа — Меркурий, Венера, Земля и Марс — еще не доросли до своих нынешних размеров. Потребовалось до 100 миллионов лет, прежде чем из глыб метровой и километровой величины и, наконец, небесных тел размером с Луну сформировались эти крупные каменные планеты. Если бы Юпитер подошел ближе к Солнцу хотя бы на расстояние одной астрономической единицы, то все пространство между современными орбитами Марса и Земли было бы подчистую выметено, и планетам земного типа не хватило бы строительного материала, чтобы дорасти до своих нынешних размеров. В свою очередь, это объясняет, почему размеры Марса гораздо меньше, чем того требует теория.

Астрономы, наблюдающие в наши дни за экзопланетами, отмечают поразительное сходство между Юпитером из «модели Ниццы» и многочисленными «горячими Юпитерами», найденными в глубинах космоса, — гигантскими планетами, которые необычайно близко подбираются к своей центральной звезде и период обращения которых составляет всего несколько суток. К этой категории относится примерно каждая пятая из обнаруженных экзопланет. Подобная участь ждала и Юпитер, если бы его не остановил… Сатурн, считают приверженцы «модели Ниццы».

Он тоже перемещался в сторону Солнца, пока не сблизился с Юпитером так, что обе планеты почувствовали силу притяжения друг друга. Периоды их обращения синхронизировались: пока Юпитер трижды обегал Солнце, Сатурн совершал два оборота вокруг него. Подобные — «резонансные» — орбиты играют особую роль в небесной механике. Они могут дестабилизировать движение планет, как это наблюдается порой в поясе астероидов, а могут придать ему особую устойчивость.

Юпитер и Сатурн сохраняли стабильность, хотя расстояние между ними было невелико. Держась все время вдвоем, они пересилили притяжение газопылевого диска и начали понемногу удаляться от Солнца. Компьютерные модели показывают, что две планеты, находящиеся в резонансе, удаляются от центральной звезды только в том случае, когда более дальняя из них весит значительно меньше, чем ближняя. Это и имело место в случае Юпитера и Сатурна. Так самая большая планета Солнечной системы избежала участи стать «горячим Юпитером».