Лавировали-лавировали, да и вылавировали

Согласно гипотезе Великого лавирования, когда-то давно Юпитер путешествовал по Солнечной системе, сея своей гравитацией хаос. Эта гипотеза до сих пор не до конца принята научным сообществом из-за своей сложности, но совсем недавно появились новые доказательства в ее пользу.

Астрономы во главе с Рене Эллером (René Heller) из Университета МакМастера

 соответствующий препринт на сайте

, а саму статью уже приняли к публикации в

. Чтобы лучше понять, зачем ученым понадобилась такая гипотеза, стоит сначала разобраться с несколькими важными вопросами.

Необычная система

До самого недавнего времени строение Солнечной системы не вызывало никаких вопросов: ее было просто не с чем сравнить. Правда, существовавшие модели образования планет из протопланетного облака не давали той картины, что наблюдается астрономами на практике, но это списывали на несовершенство самих моделей. Первые открытия экзопланет в 90-х годах прошлого века особенно на ситуацию не повлияли: выборка была небольшая, экзопланет было немного.
В 2009 году заработал телескоп «Кеплера», основным предназначением которого был именно поиск экзопланет. По состоянию на 2015 год NASA зарегистрировало более 4 тысяч планет-кандидатов, замеченных аппаратом. И уже после первой тысячи из них стало ясно, что наша звездная система весьма далека от типичной.
Во-первых, у нас насчитывается четыре планеты размером с Землю и менее, и ни одной суперземли – тела, радиусом в 1,25-2,00 раза больше земного. В то же время в обследованных нашими телескопами звездных системах суперземель наоборот в полтора раз больше, чем так называемых «планет размером с Землю».

Кавычки здесь неслучайны: в этот класс включают все тела радиусом менее 1,25 земного. А ведь большинство из них больше нашей планеты и существенно тяжелее ее (скажем, Kepler-10c по массе превосходит Землю в 17 раз). Возникло понимание, что развитие планетной системы вокруг Солнца шло какими-то иными путями, чем в экзопланетных системах с суперземлями.

Во-вторых, в большинстве известных на настоящий момент систем газовые гиганты существенно ближе к центральной звезде, чем наши Юпитер и Сатурн. Иногда даже ближе Меркурия. Возникнуть в таком месте гиганты не могли - излучение звезды просто не дало бы планетам сформироваться. Значит, заключили ученые, гиганты формируются вдали от светила, однако, потом тормозятся оставшимся от протопланетного диска веществом, переходя на орбиты поближе. 

В нашей системе, однако, торможение если и было, то имело совсем другие последствия - планеты-гиганты от Солнца все-таки расположены довольно далеко.

И вот в 2010 году группа Кевина Уолша выдвинула гипотезу, которая объясняла и отсутствие в Солнечной системе суперземель и сравнительную удаленность газовых гигантов одним и тем же событием – так называемым Великим лавированием (Grand Tack Hypothesis).
По Уолшу, когда Солнечной системе было от 1 до 10 миллионов лет и планеты земной группы еще не сформировались, Юпитер мигрировал с орбиты в 3,5 астрономической единицы (примерно 525 миллионов километров от Солнца, одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца) на орбиту в 1,5 астрономической единицы, где сейчас находится Марс. Там планета-гигант остановилась, предположительно из-за гравитации Сатурна, мигрировавшим вслед за Юпитером на орбиту в 2 астрономические единицы от Солнца. Затем гигант начал медленно двигаться обратно, пока не вернулся к своей нынешней орбите в 5 астрономических единиц.

Гипотеза Великого лавирования удачно объясняла многие крайне необычные черты Солнечной системы. Юпитер во время своего путешествия к Солнцу и обратно должен был расчистить место формирования планет земной группы от «лишней» массы газа и пыли, лишив их возможности стать суперземлями. При этом места формирования Марса и пояса астероидов в наибольшей степени пострадали от гравитации планеты-гиганта, что и обусловило их ненормально малую (а она с точки зрения эволюции Солнечной системы действительно такая) массу.

Но при всей привлекательности гипотезы, она выглядит довольно сложной, из-за чего многие астрономы до сих пор сомневаются в ее правоте. В новой работе Рене Эллер и соавторы решили проверить, какое воздействие Великое лавирование могло оказать на спутники Юпитера. Их идея проста: надо смоделировать развитие Солнечной системы с лавированием и без, а потом сравнить результаты. Если больше на правду похоже моделирование с лавированием, то, значит, новая работа станет очередным доказательством гипотезы. Если без лавирования, то так тому и быть - значит, гипотеза о мигрирующем Юпитере слишком экзотична.

Наибольший интерес для такого моделирования представляют Ганимед и Каллисто, два крупных спутника Юпитера, наполовину состоящие из воды и еще наполовину из твердых пород. Дело в том, что если гипотеза лавирования верна, то оба эти тела должны были сформироваться до собственно этого самого лавирования: объекты с такой пропорцией водного льда не возникают в местах, которые находятся к Солнцу ближе определенного расстояния. По расчетам авторов, учитывая влияние самого молодого Юпитера и его околопланетного диска, Каллисто и Ганимед могли возникнуть не ближе 4 астрономических единиц от Солнца. 

Какого же рода следы могло оставить великое Лавирование на спутниках? Все дело в атмосфере. Авторы работы исходили из предположения, что атмосфера спутника Сатурна Титана, и ныне безатмосферных юпитерианских Каллисто и Ганимеда изначально были сходны, также как сходны и их массы и зоны формирования.
При этом оценки существующих моделей говорят, что атмосфера Титана, вчетверо более плотная чем земная, может быть потеряна гравитационным путем не ранее, чем за септиллион лет. Даже если для спутников Юпитера эти цифру сократить в несколько раз, такая атмосфера просто не могла быть потеряна ими за время жизни Солнечной системы. Поэтому ученые предположили, что ключевую роль в потере атмосферы играл нагрев спутников, вызванный приливными силами гравитации газового гиганта.
При этом моделирование без лавирования показало, что, несмотря на мощное гравитационное поле, Юпитер мог обеспечить разогрев и потерю газовой оболочки лишь у близких к этой планете спутников, вроде Ио и Европы. А вот Ганимед и Каллисто находились бы за «снеговой линией» первичного околоюпитерианского диска и потерять атмосферу за счет нагрева не cмогли бы.

Когда же авторы работы ввели в свое моделирование эффекты Великого лавирования, «расположив» Юпитер с его диском в 1,5 а.е. от Солнца, где он получал бы примерно в десять раз больше солнечного излучения, ситуация изменилась.

По современным данным, Солнце в первые миллионы лет своей жизни излучало от 100 до 10 000 раз больше рентгеновских лучей и ультрафиолета, чем излучает сейчас. Тело с азотной атмосферой, типа нынешней Земли или Титана, в таких условиях неизбежно лишалось газовой оболочки. Дело в том, что энергия фотонов такого излучения намного больше, чем у видимого света, и, поглотив их, частицы азота должны были быстро набрать скорость в несколько километров в секунду и покинуть атмосферу. По расчетам авторов, в таких условиях первичная азотная атмосфера Земли была бы потеряна всего за несколько миллионов лет. А тела типа Ганимеда и Каллисто на орбите в 1,5 а.е. должны были потерять свою атмосферу еще быстрее.
Этот вывод выгодно отличает модель Великого лавирования от предположения о неизменности орбит планет. В рамках последнего очень трудно представить, как именно юпитерианские спутники могли лишиться своей атмосферы, попутно не потеряв водный лед.

Чтобы объяснить, почему в этих условиях атмосферы не лишился и Титан, вместе с Сатурном бывший в 2 а.е. от Солнца, авторы привлекли данные моделирования первичного околопланетного диска Сатурна. По нему Титан как спутник не мог сформироваться до Великого лавирования. Планеты Солнечной так же, как мы это видим в экзопланетных системах, формировались с разной скоростью, и когда самая массивная (Юпитер) уже закончила этот процесс, Сатурн еще «не добрал» примерно 10 процентов его массы. Это значит, что к моменту Великого лавирования он все еще активно поглощал вещество из своего околопланетного диска. В таких условиях Титан, существуй он в тот момент, обязательно упал бы на Сатурн. Следовательно, делает вывод Эллер, в действительности Титан мог образоваться лишь через несколько сот тысяч лет после завершения лавирования.

Как же у Земли в таких условиях осталась азотная атмосфера? Авторы указывают на то, что согласно ряду других работ, в первичной атмосфере Земли с ее значительной гравитацией было много углекислого газа, который совсем иначе взаимодействует с энергичными фотонами, и после их поглощения мог эффективно переизлучать полученную энергию в космос, охлаждая верхние слои тогдашней земной атмосферы.

Астрономы приходят к выводу, что в текущей конфигурации Солнечной системы почти невозможно предложить иной сценарий, при котором одни спутники планет-гигантов имеют атмосферу вчетверо плотнее земной, а другие не имеют ее вовсе. А вот в рамках гипотезы Великого лавирования сегодняшний облик спутников Юпитера и Сатурна объясним гораздо удачнее, чем если мы предположим, что обе эти планеты никогда не мигрировали к Солнцу и обратно.

И в то же время у гипотезы есть немало нерешенных проблем. Ключевой из них по-прежнему остается то, что проверить ее полностью чрезвычайно сложно. Слишком многое изменилось в нашей системе за последние 4,5 миллиарда лет и многие важные факторы, влиявшие на ранний период ее истории могут быть восстановлены лишь косвенно. Речь идет не только о скорости процессов миграции, сильно зависевших от не до конца ясной плотности древнего околосолнечного протопланетного облака. Ряд моделей заставляют предполагать, что в процессе миграций той поры газовые гиганты гравитационным взаимодействием могли

из Солнечной системы одну-две крупных планет, и в этом случае наблюдаемые нами тела могут давать не вполне исчерпывающую информацию о событиях прошлого. Для более полного подтверждения гипотезы необходимы более полные данные наблюдений за теми же Ганимедом и Каллисто, которые группа Эллера надеется получить от европейского космического аппарата JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), который в 2022-2030 годах должен совершить путешествие к лунам Юпитера.

Борис Александров