Сет Джейкобсон из Мичиганского государственного университета и его коллеги из Китая и Франции представили новую теорию, которая может помочь разгадать тайну эволюции нашей Солнечной системы и ответить на вопрос, есть ли в ней еще одна нераскрытая планета.
Как образовались газовые гиганты и существует ли Девятая планета — на эти вопросы пытается ответить международная команда ученых.
О чем новое исследование?
По словам авторов, это исследование поможет понять, как образовались планеты, такие как Земля. А еще его выводы намекают на то, что существует пятый газовый гигант, который скрывается на расстоянии 80,5 млрд км от нашей планеты.
Как ученые исследуют планеты?
Звезды появляются из огромных кружащихся облаков космического газа и пыли. После того, как наше Солнце «загорелось», ранняя Солнечная система все еще была заполнена первичным газовым диском — он сыграл важную роль в формировании и эволюции планет, включая газовых гигантов.
В конце ХХ века ученые считали, что газовые гиганты — Юпитер и Сатурн — изначально вращались вокруг Солнца по ровным, небольшим орбитам. Но было непонятно, почему орбиты именно такой формы.
В 2005 году международная группа ученых предложила ответ на этот вопрос: они разработали модель Nice. Согласно ей, между этими планетами существовала нестабильность — хаотический набор гравитационных взаимодействий, в результате которого образовались такие орбиты.
Модель Nice до сих пор остается актуальной теорией, но за последние 17 лет у ученых появились новые вопросы. Например, первоначально считалось, что нестабильность газового гиганта случилась через сотни миллионов лет после рассеяния первичного газового диска, который породил Солнечную систему. Но есть новые свидетельства, согласно которым это произошло раньше. Это также поднимает новые вопросы о том, как эволюционировала внутренняя Солнечная система, в которой находится Земля.
Что решили сделать авторы новой работы?
Авторы новой работы ранее предположили, что газовые гиганты в Солнечной системе имеют такие ровные орбиты, потому что так испарился первичный газовый диск. Это могло бы объяснить, почему планеты распределились по орбитам гораздо раньше, чем первоначально предполагала модель Nice, и, возможно, даже без нестабильности, которая подтолкнула их туда.
«Нам пришла в голову идея, что планеты-гиганты, возможно, могли передвигаться распространяться за счет эффекта «отскока» по мере рассеивания диска. Возможно, они никогда не были нестабильными», — сказал Шон Рэймонд из Университета Бордо во Франции. Дальше авторы впервые предложили идею эффекта «отскока» и создали для нее моделирование всех газовых дисков и больших экзопланет.
«Ситуация в нашей Солнечной системе немного иная, потому что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун расположены на более широких орбитах, — сказал Бейбеей Лю, исследователь Чжэцзянского университета в Китае. — Мы поняли, что это явление можно объяснить, если газовый диск рассеется изнутри наружу».
Команда обнаружила, что это вывернутое наизнанку рассеивание стало естественной причиной для нестабильности в модели Nice. В итоге авторы убедились в релевантности модели Nice.
Как авторы изменили устоявшуюся модель?
Ситуация, которая была в начале нестабильности, в модели авторов выглядит так же. В ней все еще есть зарождающееся Солнце, окруженное облаком газа и пыли. И несколько молодых газовых гигантов, которые вращаются вокруг звезды в этом облаке.
Исследователи отмечают, что все солнечные системы образуются в диске из газа и пыли. Это естественный побочный продукт того, как формируются звезды. Но когда Солнце вспыхнуло, оно начало сжигать свое ядерное топливо и генерировать солнечный свет, нагревая диск и выдувая его изнутри наружу.
Это создало растущую дыру в облаке газа около Солнца. По мере того, как дыра росла, ее край проходил по орбитам каждого из газовых гигантов. Согласно компьютерному моделированию команды, этот переход с очень высокой вероятностью привел к той самой нестабильности планеты-гиганта. Процесс перемещения этих больших планет на их текущие орбиты также происходит раньше по сравнению с первоначальной временной шкалой модели Nice, насчитывающей сотни миллионов лет.
«Нестабильность возникает раньше, когда рассеивается газовый диск Солнца. Она должна произойти от нескольких миллионов лет до 10 млн лет после рождения Солнечной системы», — сказал Лю.
Новая модель также приводит к смешиванию материала из внешней и внутренней солнечной системы. Геохимия Земли предполагает, что такое смешение должно было произойти, пока наша планета все еще находилась в процессе формирования.
«Этот процесс действительно всколыхнет внутреннюю солнечную систему, и Земля может появиться как раз из него, — сказал Джейкобсон — это вполне согласуется с наблюдениями». По словам команды, их следующая цель, — изучение связи между нестабильностью и формированием Земли.
Как появилась неоткрытая планета?
Джейкобсон сказал, что их работа касается одного из самых популярных вопросов о нашей Солнечной системе: сколько в ней планет. В настоящее время ответ — восемь.
Авторы отмечают, что модель Nice работала немного лучше, при условии, что в ранней Солнечной системе было пять газовых гигантов вместо четырех. Это намек на Девятую планету, о которой последние годы активно спорят ученые. Согласно модели, эту дополнительную планету выбросило из нашей Солнечной системы во время нестабильности.
Но в 2015 году исследователи Калифорнийского технологического института обнаружили доказательства того, что на окраине Солнечной системы, примерно в 80,5 млрд км от Солнца, все еще может существовать неоткрытая планета.
До сих пор нет конкретных доказательств того, что эта гипотетическая планета — по прозвищу Планета X или Девятая планета — или дополнительная планета из модели Nice действительно существуют. Тем не менее, все эти объекты могут быть одним и тем же.
Джейкобсон и его коллеги не смогли ответить на этот вопрос напрямую с помощью своих симуляций, но они собираются проверить, работает ли их модель лучше для четырех или пяти газовых гигантов.
В любом случае человечество должно скоро получить ответ на этот вопрос. Обсерватория Веры Рубин, которую планируется ввести в эксплуатацию к концу 2023 года, должна обнаружить Девятую планету, если она существует. Планируется, что инструмент будет изучать слабое микролинзирование в глубоком космосе, а также малые тела Солнечной системы.
Астрономы провели расчеты, которые показали, что телескоп сможет регистрировать по крайней мере несколько подобных вспышек в год. В этом случае ученые смогут подтвердить, что Девятая планета является черной дырой, и в дальнейшем выяснить ее орбитальные параметры.
Читать далее
Посмотрите в прямом эфире, как астероид размером с автобус приближается к Земле
Астрономы нашли планету недалеко от Земли: у нее очень странная орбита
За ней охотились столетиями: что нам известно о планете Вулкан рядом с Солнцем