Планеты-гиганты вышли из-под контроля вскоре после рождения Солнечной системы

В молодости Солнечная система претерпела важные изменения: гравитационные силы между планетами-гигантами сбили их с пути, в результате чего орбита Юпитера подскочила ближе к Солнцу, в то время как Сатурн, Уран и Нептун были отброшены наружу. Гравитация неистовых гигантов отбросила Плутон и другие ледяные тела к поясу Койпера, привела пояс астероидов в его нынешнее положение и отправила бесчисленные тела, врезавшиеся во внутреннюю часть Солнечной системы.

В течение многих лет исследователи считали, что эта «гигантская планетарная нестабильность» произошла через 600 миллионов лет после рождения Солнечной системы (4,57 миллиарда лет назад), основываясь на возрасте ударных кратеров, нанесенных на Луну. Недавно появились доказательства того, что это произошло гораздо раньше. И теперь некоторые исследователи приближаются к более точной дате, всего через 60 миллионов лет после образования Солнечной системы, основываясь на анализе редких метеоритов, полученных из древнего семейства астероидов, опубликованном в журнале Science. 

Другие недавние работы, кажется, подтверждают эту дату: история ударов, зафиксированная в обычных метеоритах, история формирования ледяной карликовой планеты Хаумеа и самые ранние известные минеральные кристаллы, обнаруженные в лунных камнях, извлеченных астронавтами Аполлона. «Когда вы сложили все это вместе, это множество доказательств того, что воздействия произошли примерно через 60 миллионов лет», — говорит Стивен Деш, астрофизик из Университета штата Аризона.

Датирование события – это не просто бухгалтерское упражнение. Хаос мог повлиять на размер, расположение и состав каменистых планет, и многие исследователи полагают, что он также может объяснить, почему примерно в это время протопланета размером с Марс врезалась в Землю, образовав Луну. «Если мы сможем определить, когда, мы сможем сказать что-то и о том, почему», — говорит Грэм Эдвардс, космохимик из Дартмутского университета.

Дело далеко не закрыто. Еще до появления статьи в журнале Science другие исследователи подготовили опровержение ее выводов, предполагая, что диапазон возможных дат гораздо менее определен, чем предполагалось. Другая статья, опубликованная в журнале Nature Astronomy, предполагает, что нестабильность началась еще раньше, всего через 11 миллионов лет после образования Солнечной системы. «Очень трудно сказать, что кто-то прав в этом вопросе», — говорит Мэтью Клемент, астрофизик из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и соавтор опровергающей статьи, которая была опубликована на ArXiv на этой неделе. «Это все огромные планки погрешностей».

Научная статья является кульминацией более чем пятидесятилетней работы. В 2019 году несколько его соавторов сообщили об открытии семейства астероидов под названием Атор, образовавшихся в результате раскола древнего тела. Химический состав астероидов, полученный с помощью телескопов, соответствовал набору редких метеоритов, называемых EL-энстатитовыми хондритами, о чем они сообщили в 2022 году. Это совпадение означало, что исследователи могли использовать изотопные подсказки в этих метеоритах, чтобы разгадать историю родительского тела астероидов.

Изучая радиоактивный распад двух систем изотопов, которые кристаллизуются при разных температурах и позволяют понять историю нагрева и охлаждения родительского тела Атора, исследователи из Гейдельбергского университета в 2022 году обнаружили, что оно кристаллизовалось всего через 2 миллиона лет после образования Солнца и, должно быть, оставался нетронутым в течение как минимум 60 миллионов лет. Только после этого момента могли начаться беспорядки: он был разрушен ударом и сдвинут наружу, к поясу астероидов, где последующие удары сформировали семейство Атор и отправили некоторых из них в сторону Земли. «Мы не смогли найти ничего другого, что могло бы отправить эти метеориты на Землю», — говорит Криса Авделлиду, планетолог из Университета Лестера, которая возглавила новое исследование.

Дата в 60 миллионов лет сразу поразила Алессандро Морбиделли, планетолога из Университета Лазурного Берега. Два десятилетия назад он помог разработать компьютерные модели, показывающие, как мигрировали планеты-гиганты. История Атора предоставила временные рамки, потому что ничто, кроме нестабильности, не могло сдвинуть это тело. «Скорее всего, в этот момент планеты-гиганты стали нестабильными», — говорит он. И действительно, когда он и его соавторы в новом исследовании рассмотрели пять различных моделей эволюции Солнечной системы, «цифры совпали почти чудом», говорит он.

Это время подтверждается исследованием, опубликованным в прошлом году в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta, в котором изучалась история остывания L-хондритов, одних из наиболее распространенных метеоритов. Они также показывают явный всплеск столкновений, произошедших около 60 миллионов лет назад, говорит Марко Дельбо, планетолог, также работающий на Лазурном Берегу. «Что-то произошло, будь то один удар или серия ударов, в этом временном диапазоне». Вдобавок к этому, в 2022 году Деш и его коллеги обнаружили, что они смогут объяснить высокую скорость вращения и вытянутую форму Хаумеа, ледяного тела за пределами Нептуна, только в том случае, если нестабильность примерно в это время ограничит его способность собирать камни и лед и отбрасывать их. в пустыню внешней Солнечной системы. И хотя споры о времени формирования Луны продолжаются, твердые кристаллы циркона в лунных породах, датированные прошлым десятилетием, позволяют предположить, что это могло произойти в то же время.

Авторы опровержения не подвергают сомнению сценарий, составленный Авделлиду и ее соавторами, но говорят, что они слишком сильно полагаются на одно-единственное доказательство, Атор. «Все логические шаги в порядке», — говорит Клемент. «Я думаю, они просто упускают часть истории». Когда критики исследовали более широкий спектр возможностей в компьютерных моделях, наиболее вероятной датой нестабильности оставалось 60 миллионов лет назад, но существует множество сценариев, когда событие произойдет позже или раньше.

Данные в статье, рассматриваемой в журнале Nature Astronomy, говорят в пользу более ранней даты. Эдвардс и его коллеги собрали существующие записи о радиоактивном калии и его распаде на аргон (счетчик, который можно установить по теплу ударов) почти по 100 метеоритам, образовавшимся вблизи внутренних планет. Даты показали, что удары, разрушившие родительские объекты, произошли поразительно рано, скорее всего, из-за миграции гигантской планеты, произошедшей 11 миллионов лет назад, когда внутренние планеты заканчивали формироваться. Столь раннее событие могло бы объяснить удивительно низкую массу Марса и пояса астероидов, поскольку оно смыло бы потенциальные строительные блоки.

Независимо от того, на какой дате исследователи наконец определятся, «эта область находится в действительно захватывающем положении», — говорит Эдвардс. Появляются новые виды доказательств. Например, Клемент считает, что спутники Юпитера или Урана, которые легко могли быть оторваны в результате миграции, могли бы служить ключом к определению времени ее миграции. Между тем, количество астероидов растет и может дать новые подсказки. Европейский космический телескоп Gaia недавно опубликовал примерный химический состав примерно 60 000 астероидов. И когда в следующем году в Чили обсерватория Веры К. Рубин откроет глаза на небо, число известных астероидов, вероятно, увеличится более чем вдвое. «Там будет новый мир», — говорит Авделлиду.