Пролетающие звезды могут серьезно повлиять на нашу Солнечную систему

Фото из открытых источников

На протяжении столетий астрономы пытались понять формирование и эволюцию Солнечной системы и динамику, которая ею управляет. В частности, существует давний вопрос о том, будут ли орбиты планет оставаться стабильными с течением времени. Однако эти исследования в целом рассматривали Солнечную систему как изолированную систему, сосредотачиваясь исключительно на гравитационном взаимодействии между планетами. И это несмотря на то, что астрономам уже давно известно, что звезды в Млечном Пути время от времени совершают близкие проходы друг к другу.

Короче говоря, динамические исследования Солнечной системы в целом не смогли учесть влияние, которое проходящие звезды поля будут оказывать на солнечные планеты с течением времени. Согласно недавнему исследованию группы астрономов, звезды, проходящие близко к Солнечной системе, могут существенно влиять на орбиты солнечных планет. Согласно их моделированию, прохождение звезд поля может привести к потере планет в течение следующих 5 миллиардов лет. Их результаты также указывают на то, что орбиты газовых/ледяных гигантов и Плутона не так стабильны, как считалось ранее.

Исследование было проведено Натаном А. Кайбом из Института планетарных наук (PSI) и Шоном Н. Рэймондом из Лаборатории астрофизики Бордо (LAB). Статья, описывающая их выводы была опубликована в журнале Icarus.

Как указывает Рэймонд, сэр Исаак Ньютон (который сформулировал теорию всемирного тяготения) первым предсказал, что гравитационное взаимодействие между планетами в конечном итоге приведет к тому, что их орбиты станут нестабильными, хотя он не мог этого доказать. К XVIII веку математики Пьер-Симон Лаплас и Жозеф-Луи Лагранж пришли к выводу, что планетарные орбиты колеблются волнообразно, что сохраняет их стабильность навсегда. Но к XIX веку Карл Фридрих Гаусс и Урбен Леверье обнаружили, что эти волнообразные структуры в конечном итоге распадаются.

Затем появился Анри Пуанкаре, который показал, что гравитационное взаимодействие между 3 или более телами (т. н. задача трех тел) не может быть решено аналитически. Более того, астрономы открыли несколько планет, спутников и различных тел в 19 и 20 веках, о которых Ньютон и его современники не знали, включая Уран, Нептун, Плутон и пояс Койпера. На рубеже веков астрономы также обнаружили несколько планетоидов в транснептуновой области (Эрис, Хаумеа, Макемаке и т. д.).

Недавние исследования также подняли вопрос о «блуждающих планетах», телах, которые выталкиваются из своих звездных систем и становятся скитальцами в межзвездном (и даже межгалактическом) пространстве. Увы, как поясняют Рэймонд и Каиб, роль звездных пролетов остается вне исследований динамики Солнца.

«Это просто не было включено в подавляющее большинство исследований. И это пренебрежение может быть оправдано простым расчетом, показывающим, что типичный пролет практически не влияет на орбиты планет. Конечно, это не относится ко всем пролетам или к долгосрочной перспективе, как мы показали», — сказал Рэймонд. «Часто требуются сотни Myrs или даже Gyrs, чтобы эффекты звездного столкновения проявились, поэтому более короткие моделирования могут создать у вас впечатление, что они не так уж и важны».

Для своего исследования Кайб и Рэймонд выполнили 2000 симуляций на основе современной Солнечной системы, полученной из системы Horizons, предоставленной Группой динамики солнечной системы в NASA JPL. Она обеспечивает доступ к ключевым данным Солнечной системы и может предсказывать положения всех ее объектов с чрезвычайной точностью. Затем они ввели в смесь звездные пролеты, скорректированные для различных расстояний, которые привели бы к различным уровням возмущений для планетарных орбит. Как отметил Кайб, каждая симуляция имела немного разные начальные условия для планет, основанные на степени неопределенности их скоростей и орбит: «В половине этих симуляций (1000) каждая система подвергается уникальному набору звездных проходов, пока она развивается в течение 5 миллиардов лет. Мы не знаем, какие типы звездных встреч испытает Солнечная система. Но звездные массы, скорости проходов и частота проходов соответствуют тому, что мы ожидаем для нашего района галактики Млечный Путь. Затем мы сравниваем наши 1000 систем, подвергшихся звездным проходам, с нашими 1000, которые не должны были распознавать эффекты звездных проходов».

Кроме того, они также смоделировали набор из 1000 систем, где звездные проходы имели бы только 5% шанс (или меньше) произойти в течение следующих 5 миллиардов лет. Это дало им больше примеров планетарной нестабильности, вызванной прохождением звезд, что дало более ясную картину их возможных результатов. «Суть в том, что Солнечная система примерно на 50% менее стабильна, если учитывать пролеты», — добавил Рэймонд. «Внутреннему хаосу обычно требуется несколько миллиардов лет, чтобы встряхнуть систему, и имеет около 1% шанса дестабилизировать орбиты каменистых планет, предпочтительно примерно через 4-5 миллиардов лет». 

Их моделирование также показало ~5% вероятность того, что проходящие звезды дестабилизируют Плутон в течение следующих 5 миллиардов лет. Это было неожиданностью, поскольку большинство предыдущих исследований предполагали, что у Плутона есть 100% вероятность оставаться стабильным в течение этого периода. В конечном счете, их моделирование показало, что существует примерно 1 из 200 шансов, что Солнечная система будет дестабилизирована прохождением звезды в течение следующих нескольких миллиардов лет. Их результаты также показали, что эти прохождения, скорее всего, произойдут раньше, чем позже.

Это делает один или несколько звездных проходов наиболее вероятной причиной нестабильности орбит планет Солнца в течение следующих 4–4,5 млрд лет. 

«Приближение того, что Солнечная система изолирована от остальной части нашей Галактики, имеет свои пределы. Даже в (многих) случаях, когда проходящие звезды не вызывали планетарной нестабильности, они все равно слегка подталкивали орбиты гигантских планет, особенно Урана и Юпитера. Кроме того, прошлая эволюция Солнечной системы, вероятно, имела такую же вероятность быть затронутой звездами, как мы обнаруживаем в наших будущих эволюционных симуляциях. Таким образом, хотя мы уверены, что не прошли через планетарную нестабильность, вызванную звездами, вполне вероятно, что самые мощные проходы, которые мы пережили, оставили свой отпечаток на орбитах гигантских планет», - говорит Каиб.

Кроме того, эти результаты могут иметь значительные последствия не только для области солнечной динамики. Как добавил Рэймонд, они также могут дать информацию для будущих исследований динамики, управляющей другими звездными системами. «Мы знаем о тысячах экзопланетных систем. Статистически говоря, пролеты, вероятно, сыграли важную роль в дестабилизации некоторых из них. Поэтому, даже если это не результат большинства, он все еще очень важен для интерпретации экзопланетных систем и нашего собственного будущего».