Александр Волков - 100 великих загадок астрономии

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 все планеты и теперь кружат по тем самым орбитам, по которым они двигались в то время, когда зародились.

Как явствует из модели Ниццы, молодость Солнечной системы была поистине временем «бури и натиска»

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.

Итак, в ранней период своей истории Солнце окружал плотный газопылевой диск. Первые четыре зародыша планет образовались на его периферии и обращались вокруг Солнца по круговым орбитам. Они все активнее поглощали окружавшие их газовые массы, стремительно разрастаясь. Однако под действием силы притяжения 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.

Возможно, Юпитер достиг тогда орбиты, по которой обращается сегодня Марс. Если бы он продвинулся 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.

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. 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. Периоды их обращения синхронизировались. Держась все время вдвоем, Юпитер и Сатурн пересилили притяжение газопылевого диска и начали понемногу удаляться от Солнца. Так самая большая планета Солнечной системы избежала участи стать «горячим Юпитером».

Между тем к этому «балету» гигантских планет, круживших по просторам Солнечной системы, присоединились еще два участника – Уран и Нептун. Когда газопылевая туманность, обволакивавшая Солнце, рассеялась, эти четыре планеты образовали «мультирезонансную конфигурацию». В то время расстояние между Юпитером и Нептуном составляло всего 7 астрономических единиц (сегодня их разделяет 25 астрономических единиц). Подобная система очень стабильна и может просуществовать миллиарды лет благодаря тому, что силы притяжения планет уравновешиваются. Их ход теперь размерен, словно слаженная работа отдельных частей машины. Но, подобно камешкам, попавшим внутрь машины и ломающим ее, в этом планетарном механизме оказались свои «посторонние предметы». Это было плотное кольцо из планетезималей – ледяных глыб, оставшихся от той эпохи, когда шло формирование планет. Они располагались на расстоянии 13–14 астрономических единиц от Солнца, а их суммарная масса в 30–50 раз превышала массу Земли. Время от времени то одна, то другая из этих глыб сбивалась с привычного пути и приближалась к Урану или Нептуну, возмущая их движение.

Наконец, по прошествии нескольких сотен миллионов лет накопившиеся деформации орбит стали так велики, что этот дружный ансамбль планет окончательно рассорился. Одна за другой были выброшены со своих орбит Уран и Нептун. Астрономы не исключают даже того, что Юпитер и Сатурн, словно два теннисиста – мячом, «перекидывались» Нептуном (или Ураном), отправляя его то ближе к центру площадки, именуемой Солнечной системой, то чуть ли не в аут – примерно туда, где он обретается и поныне. Какая из двух планет служила «космическим мячом», непонятно. В половине из компьютерных моделей, разработанных астрономами, ей оказывался Уран, в половине – Нептун.

В любом случае, обе дальние планеты нашей системы стали обращаться по очень вытянутым эллиптическим орбитам, так и норовя забраться в это ледяное скопление глыб и взбаламутить его – разворошить, словно осиное гнездо. В течение короткого времени они вымели оттуда все глыбы, и тогда град метеоритов устремился на планеты, расположенные в окрестности Солнца. Лишь после этого орбиты планет-гигантов, теперь уже не испытывавших гравитационных возмущений, постепенно сгладились – стали почти круговыми.

«Модель Ниццы» многое объясняет в архитектуре Солнечной системы. Вот несколько примеров.

В окрестности Юпитера обретаются десятки тысяч астероидов – так называемые «троянцы». Ранее астрономы считали, что они образовались одновременно с Юпитером. Однако Морбиделли и его коллеги предположили, что эти планетки были захвачены Юпитером в эпоху «смуты», которая охватила Солнечную систему около 4 миллиардов лет назад. Сформировались же они в разных областях нашей планетной системы. В самом деле, некоторые из троянцев скорее напоминают кометы; другие же практически не содержат ни воды, ни органических веществ.

Многие спутники планет-гигантов обращаются, вопреки правилам, в обратном направлении. Сейчас их насчитывается уже 93 (по данным на октябрь 2011 года). Если «нормальные» спутники чаще всего возникали вместе со своими планетами, то «ретрограды» пленены ими. В 2007 году американский астроном Дэвид Несворны показал, что подобный захват возможен, когда две планеты вплотную сближаются друг с другом. Но из «модели Ниццы» явствует, что и Юпитер, и Сатурн когда-то оказывались рядом с Ураном или Нептуном.

По ту сторону орбиты Нептуна начинается пояс Койпера. Он включает такую крупную планету, как Плутон диаметром около 2300 километров. Расчеты показывают, что масса пояса Койпера слишком мала, чтобы там могли сформироваться подобные планеты. «Модель Ниццы» помогает разрешить и эту проблему. Согласно ей, пояс Койпера представляет собой жалкий остаток того огромного пояса планетезималей, который был почти уничтожен Ураном и Нептуном. Общая его масса в тысячи раз превышала массу пояса Койпера.

И еще один любопытный аспект «модели Ниццы». Она лишний раз свидетельствует, насколько случайным было возникновение Солнечной системы в том виде, в каком она существует. Исследователям было достаточно лишь немного изменить начальные условия этой «задачи», как они получали очень странные результаты. Планеты то обращались по необычайно вытянутым орбитам, больше напоминавшим траектории комет, то начинали двигаться вокруг Солнца в обратном направлении, то их орбиты неизменно оставались в резонансе друг с другом. И именно такие – экзотические – планетные системы астрономы обнаруживают, наблюдая за отдаленными звездами. Читать дальше