Уран сохранил спутники при выбросе Солнечной системой пятой гигантской планеты

Фото из открытых источников

Тысячи часов моделирования на суперкомпьютерах были использованы для исследования нестабильного периода в прошлом нашей Солнечной системы, который, возможно, привел к миграции планет на их нынешние позиции и потенциально к исчезновению пятой планеты-гиганта из Солнечной системы. Результаты исследования были опубликованы на сервере препринтов arXiv.

Человеческая жизнь и так коротка, но она становится астрономически незначительной по сравнению с событиями в космосе, такими как формирование нашей Солнечной системы. Когда ученые начали её изучать, они исходили из предположения, что всё всегда было так, как есть сейчас. Земля (которая тогда считалась центром Солнечной системы) всегда находилась на своём месте, и планеты, звёзды и Солнце должны вращаться вокруг неё так же, как и всегда, вечно. 

Изучая космос, ученые начали понимать, что планеты не вечны, а образовались миллиарды лет назад в протопланетном диске. Были разработаны модели, описывающие этот процесс, с целью объяснить нынешнее положение всех планет, как они туда попали, а также некоторые особенности и странности нашего космического окружения, такие как троянские астероиды, вращающиеся вокруг Юпитера, и неправильные спутники во внешней части Солнечной системы.

Хотя учёные разработали множество хороших моделей, они, возможно, не обладают такой же объяснительной силой, как модель Ниццы, впервые разработанная в 2005 году в Ницце, Франция. Согласно этой модели, в прошлом Солнечной системы гигантские планеты — Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран — находились не там, где они находятся сейчас, а были выброшены на свои места из-за нестабильности их первоначальных орбит. 

В этой модели Уран и Нептун при рождении находились гораздо ближе к Солнцу, но были перемещены на свои нынешние позиции Юпитером и Сатурном, которые вошли в резонанс 2:1, при котором Юпитер совершает два оборота вокруг Солнца за каждый оборот Сатурна.

«Глобальные последствия нестабильности и ее способность воспроизводить многие специфические характеристики популяций малых тел Солнечной системы, орбиты самих планет и другие геофизические ограничения в численных моделях хорошо задокументированы», — поясняют авторы новой статьи, которая еще не прошла рецензирование.

Например, более старые модели, в которых планеты находились в тех же положениях, что и сегодня, не могли объяснить эксцентриситеты орбит Сатурна и Юпитера, а также неправильные спутники Нептуна и Юпитера. Эти нестабильные спутники, которым посвящена новая статья, можно смоделировать несколько лучше, если учесть нестабильность в ранней Солнечной системе. Идея заключается в том, что по мере того, как гигантские планеты сближались, а разбросанные в регионе планетезималы изменяли свои орбиты таким образом, что в конечном итоге происходил их захват.

В новой препринтной статье команда исследователей изучила ранние годы существования Солнечной системы, чтобы определить, какие сценарии могли бы правдоподобно объяснить появление спутников Юпитера и Урана. В число этих вариантов вошли и модели, предполагающие наличие в Солнечной системе дополнительного ледяного гиганта, выброшенного во время нестабильности. Из 122 «правдоподобных» сценариев, протестированных в ходе исследования, лишь немногие позволили спутникам выглядеть так, как они выглядят сегодня.

«Мы обнаружили, что вероятность выживания систем спутников Юпитера и Урана составляет менее 15%», — поясняет команда. «Более того, мы выявили только один случай, когда и Уран, и крупные спутники Юпитера стабильно переживают одну и ту же нестабильность».

Результаты вызывают некоторые проблемы. Хотя модель Ниццы, по-видимому, объясняет многие особенности Солнечной системы, эти нестабильности, похоже, в некоторой степени губительны для существования спутников, и существует мало правдоподобных сценариев, при которых Уран и спутники Юпитера сохранили бы свой нынешний вид.

«Интересно, что спутники Юпитера с наибольшей вероятностью выживут в условиях нестабильности, инициированной наличием двух меньших дополнительных ледяных гигантов, а случаи с одной более крупной дополнительной планетой создают более благоприятные условия для выживания системы Урана», — пишут исследователи, добавляя, что если Уран столкнется с какими-либо ледяными гигантами на близком расстоянии в этих моделях, то разрушение его спутниковой системы практически гарантировано.

Основная проблема, по-видимому, заключается в том, что модели, учитывающие наличие спутников Юпитера, оставляют Уран без них, и наоборот. Хотя команда исследователей предполагает, что модель Ниццы нуждается в пересмотре, они отдают предпочтение нескольким другим сценариям, которые могли бы объяснить эту проблему. В одном из них спутники Урана дважды дестабилизировались в прошлом; один раз они покинули планету, сохранив её наклон оси вращения, а другой раз произошёл во время предсказанного события нестабильности. В другом сценарии Уран является результатом маловероятного, но правдоподобного периода нестабильности, в течение которого у него вообще не было близких сближений с другими гигантскими планетами.

«Хотя, безусловно, возможно, что все четыре первоначальные системы регулярных спутников во внешней части Солнечной системы не пострадали от столкновений с планетами, наши результаты убедительно свидетельствуют об обратном», — заключает группа исследователей. «Таким образом, наши результаты должны послужить мотивацией для дальнейших исследований последствий потенциальных динамических нестабильностей, возникающих в системах гигантских планет и спутников в результате нестабильности Ниццкой модели».