Nature: Юпитер когда-то был в два раза больше, чем сейчас

Согласно нашим современным моделям, планета Юпитер сыграла важную роль в эволюции Солнечной системы. С одной стороны, ее формирование (около 4,6 млрд лет назад) и мощная гравитация, как полагают, сыграли решающую роль в формировании орбитальных траекторий других планет Солнечной системы, ваяя диск газа и пыли, из которого они образовались, и влияя на распределение планетезималей и формирование Главного пояса астероидов. Ученые также выдвинули теорию, что Юпитер сыграл роль в возникновении жизни, поглощая астероиды, которые могли бы столкнуться с Землей.

Поэтому понимание истории формирования Юпитера жизненно важно для понимания того, как развивалась ранняя Солнечная система. В недавней статье астрономы Константин Батыгин и Фред С. Адамс провели детальное исследование изначального состояния Юпитера. Их результаты показывают, что через 3,8 миллиарда лет после Солнечной системы, после того как в протопланетной туманности Солнечной системы образовались первые твердые тела, Юпитер был в 2–2,5 раза больше, чем сегодня. Они также определили, что он обладал магнитным полем в 50 раз более мощным, чем сегодня.

Батыгин является профессором планетологии и астрофизики в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), Фред С. Адамс является профессором физики Ta-You Wu Collegiate и директором Центра теоретической физики Лейнвебера (UM LSA) в Мичиганском университете. Статья, описывающая их выводы, была опубликована в журнале Nature Astronomy.

В небесной механике традиционная парадигма, в которой эволюция Солнечной системы приписывалась исключительно влиянию Юпитера и Солнца, имеет глубокие корни. Однако наблюдения все больше подчеркивают важность Юпитера в формировании архитектуры Солнечной системы. Таким образом, полная история происхождения и структурной эволюции Юпитера рассматривается как ключевая веха в ранней эволюции Солнечной системы. Однако детали и время формирования Юпитера остаются неясными в значительной степени из-за неопределенностей, присущих моделям аккреции.

Для своего исследования Батыгин и Адамс исследовали Амальтею и Фиву, два внутренних спутника Юпитера. Это семейство спутников имеет малую массу и вращается еще ближе к Юпитеру, чем Ио, самая маленькая и ближайшая к нему галилеевая луна Юпитера. Оба этих спутника имеют слегка наклонные орбиты и небольшие орбитальные расхождения, что позволило Батыгину и Адамсу вычислить первоначальный размер Юпитера. Согласно их результатам, Юпитер когда-то имел объем более 2000 Земель, что примерно вдвое больше его нынешнего объема в 1321 Землю. 

«Наша конечная цель — понять, откуда мы пришли, и установление ранних фаз формирования планет имеет решающее значение для решения этой головоломки. Это приближает нас к пониманию того, как формировался не только Юпитер, но и вся Солнечная система. То, что мы установили здесь, является ценным ориентиром. Точкой, с которой мы можем более уверенно реконструировать эволюцию нашей Солнечной системы», - пояснил Батыгин.

Эти идеи особенно важны, поскольку они обходят традиционные неопределенности в моделях формирования планет. Они часто опираются на предположения относительно способности газа поглощать или рассеивать электромагнитное излучение, скорости аккреции и массы ядра Юпитера (состоящего из камня и металла). Вместо этого команда сосредоточилась на непосредственно измеряемых величинах, включая сохранение углового момента Юпитера и орбитальную динамику его лун.

Анализ Батыгина и Адамса дает важную картину одного из критических этапов развития Юпитера, который в прошлом был предметом неопределенности. По сути, он дает представление о периоде, когда испарилась солнечная туманность, из которой образовались планеты. Это была критическая точка перехода, когда исчезли строительные блоки планет и возникла изначальная архитектура Солнечной системы. «Удивительно, что даже спустя 4,5 миллиарда лет осталось достаточно подсказок, позволяющих нам реконструировать физическое состояние Юпитера на заре его существования», — сказал Адамс.

Эти результаты также могут добавить новое понимание теорий о формировании планет, что может иметь значение для изучения экзопланет. Эти теории предполагают, что Юпитер и газовые гиганты образовались из каменистого и ледяного материала (который сформировал ядро этих планет) и быстро аккрецировали газ из солнечной туманности. Это новое исследование основывается на традиционных моделях, предоставляя более точные измерения размера Юпитера, скорости вращения и магнитных условий, когда он все еще находился в первичном состоянии.