Новая модель миграции гигантов угрожает гипотезе о Девятой планете

Согласно самой популярной гипотезе о распределении планет в нашей системе, планеты-гиганты сформировались ближе к Солнцу, а потом отлетели на свои нынешние орбиты. В новом исследовании, опубликованном в Nature, международная команда астрономов предположила, что этот процесс мог начаться гораздо раньше.

Звезды рождаются в плотных облаках газа и пыли. Из оставшейся материи вокруг молодой звезды формируется огромный вращающийся диск, а из диска — планеты. Распределение пыли и газа в этом протопланетном диске влияет на состав и эволюцию планет.

Предположение о формировании планет-гигантов вблизи Солнца возникло в конце прошлого века. Ответить на вопрос, как это могло произойти, удалось в 2005 году. Тогда в журнале Nature вышли три статьи с описанием сценария миграции гигантов, причиной которой были хаотичные гравитационные взаимодействия планет. Международной команде ученых удалось объяснить образование облака Оорта, троянские астероиды гигантов, позднюю тяжелую бомбардировку и другие особенности нашей системы. Гипотезу назвали моделью Ниццы — в честь французского города, в котором группа астрономов когда-то начала обсуждение этого сценария.

По сей день модель Ниццы считается самым вероятным сценарием эволюции Солнечной системы, но ученые продолжают дискутировать о причинах гравитационной нестабильности. Сперва предполагалось, что миграция гигантов произошла через сотни миллионов лет после рассеивания протопланетного диска. Но результаты новых исследований — в том числе лунного реголита — указывают на то, что это должно было произойти раньше.

«Мы заинтересовались, действительно ли модель Ниццы необходима для объяснения Солнечной системы, — рассказывает Шон Реймонд (Sean Raymond) из Университета Бордо. — И придумали, что гигантские планеты могли разлететься из-за эффекта “отдачи” от протопланетного диска. Возможно, периода нестабильности и не было».

Оказалось, что рассеивание диска изнутри наружу действительно могло спровоцировать нестабильность модели Ниццы. В результате команда не опровергла, а укрепила популярную гипотезу.

В новом сценарии планеты-гиганты, как и прежде, формируются вблизи центра. Разогревшись, Солнце начинает «сдувать» протопланетный диск всё дальше к окрестностям системы. Как показала компьютерная модель, движение границы разрастающейся «дыры» провоцирует нестабильность орбит гигантов, и они отлетают на дальние орбиты. В отличие от классической модели Ниццы, все это должно было произойти в первые 10 миллионов лет эволюции системы.

Также новый сценарий объясняет перемешивание материи внутренних и внешних регионов диска. Геохимия Земли предполагает, что это должно было произойти еще на этапе формирования нашей планеты.

Остается открытым вопрос о количестве планет в молодой Солнечной системе. Оригинальная модель Ниццы лучше работает с пятью гигантами: в период нестабильности один из гигантов вылетает из центра и этим движением помогает оставшимся четырем (Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну) найти свои орбиты, а сам вылетает из системы или остается гипотетической (пока не найденной) Девятой планетой. В 2015 году ученые из Калтеха представили косвенные признаки существования массивного тела в удаленных регионах системы. Увидеть его напрямую не удавалось, но появлялись все новые исследования — как подкрепляющие, так и критикующие гипотезу о Девятой планете.

Вопрос о ее существовании остается спорным, поэтому в новой работе ученые не акцентируют на нем внимание. Тем не менее они провели расчеты как для четырех, так и для пяти гигантов в молодой системе. Независимо от изначального количества новая модель тоже оставляет систему с четырьмя планетами-гигантами. «Но если начинать с четырех, то финальные орбиты точнее совпадают с реальными», — комментирует соавтор исследования Сет Джейкобсон (Seth Jacobson) из Мичиганского университета. Получается, с новым сценарием падает вероятность того, что Девятая планета — это улетевший пятый гигант.

К счастью, вскоре проблема существования Девятой планеты должна разрешиться. В конце 2023 года начнет работу мощная обсерватория имени Веры Рубин. Если планета существует, новый телескоп должен ее разглядеть.