Асимметрия троянских астероидов указала на миграцию Юпитера издалека

Компьютерное моделирование влияния миграции планет на орбиты малых тел позволило оценить перемещение Юпитера в ранней Солнечной системе. Оказалось, что соответствующие наблюдаемым параметры двигающихся по орбите Юпитера астероидов — троянцев — воспроизводятся в случае формирования планеты-гиганта почти в четыре раза дальше текущего положения. В частности, модель правильно воссоздала асимметрию троянцев, которая заключается в существенной разнице количества этих тел в двух группах. Авторы называют полученные данные первой информацией о значительных изменениях орбиты Юпитера в прошлом. Результаты приняты к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, препринт опубликован на сервере arXiv.org.

Солнечная система является хаотической, то есть сколько угодно малые неточности в знании ее параметров исключают достоверное определение ее состояний в далеком прошлом или будущем. Для реалистичных ошибок сегодня возможно предсказание орбит планет примерно на 60 миллионов лет вперед или назад. С улучшением аппаратуры стоит ожидать увеличения этого времени, но ни при какой мыслимой точности оно не приблизится к возрасту самой Солнечной системы, который составляет около 4,5 миллиардов лет.

Открытие многочисленных экзопланет показало астрономам, что планетные системы у других звезд непохожи на Солнечную. В частности, непонятно, почему столь распространены горячие юпитеры — крупные газовые гиганты на очень близких к звездам орбитах. Согласно современным представлениям, во время роста зародыши планет перемещаются значительно ближе к звездам благодаря взаимодействию с газообразным протопланетным диском, что может объяснять высокую встречаемость горячих юпитеров. Однако непосредственное влияние данных процессов на эволюцию ранней Солнечной системы не до конца понятно.

В работе под руководством Диего Туррини (Diego Turrini) из Института космической астрофизики и планетологии в Италии описывается моделирование миграции крупных внешних планет в ранней Солнечной системе и влияние этого процесса на малые тела. Особое внимание авторы уделили астроидам из семейств Хильды и троянцам. Первые входят в главный пояс астероидов, расположенный между Юпитером и Марсом, но находятся с Юпитером в орбитальном резонансе 3:2. Троянцы движутся по траекториям крупных планет, в частности Юпитера, в орбитальном резонансе 1:1. Они представлены двумя группами, которые расположены вблизи точек Лагранжа L₄ и L₅, то есть примерно на 60 градусов обгоняя планету или отставая от нее. Наблюдения показывают, что обгоняющая Юпитер группа троянцев больше отстающей примерно на 50 процентов в зависимости от размеров тел. Эта асимметрия не находила ранее полноценного объяснения.

Новое численное решение задачи N тел было проведено для временного масштаба в миллионы лет с шагом в 50 дней, что позволяет корректно воспроизводить динамику для планет на орбитах с радиусом от четырех астрономических единиц и более. Также авторы учли эффекты, такие как аэродинамическое сопротивление газа, которое испытывают небольшие частицы, и приливное сопротивление газа, которое сказывается на движении планетных ядер. Оба эти явления были включены для имитации присутствия газообразного протопланетного диска, который исчезает под действием солнечного излучения в течение трех миллионов лет.

Моделирование показало, что ядра Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна начинают расти и мигрировать в моменты времени 2,31, 2,56, 2,70 и 2,70 миллионов лет после начала симуляции. Все большие планеты формируются далеко: Юпитер в 18 астрономических единицах (по сравнению примерно с пятью сегодня), а остальные — еще дальше вплоть до 25 астрономических единиц. К моменту, соответствующему трем миллионам лет после начала счета, планеты завершают рост и располагаются на окончательных орбитах. Эти движения значительно воздействуют на распределение малых тел. Авторы выделяют четыре основных эффекта. Во-первых, часть тел, изначально расположенных между 4 и 16 астрономическими единицами, оказываются помещены в главный пояс астероидов, который отстоит от Солнца примерно на 2,8 астрономических единиц. Некоторые из этих тел получают настолько вытянутые орбиты, что начинают пересекать орбиты планет земной группы, то есть попадают во внутреннюю часть Солнечной системы. Во-вторых, все крупные планеты захватывают на свою орбиту троянцев в начале фазы роста и мигрируют вместе с ними. В-третьих, множество тел оказывается с Юпитером в орбитальных резонансах 2:1, 3:2, 4:3 и 5:3. В-четвертых, возникает группа астероидов между орбитами Сатурна и Урана, соответствующая кентаврам в реальной Солнечной системе.

Модель успешно воспроизвела асимметрию троянцев и распределение эксцентриситетов их орбит. Однако суммарная масса этих групп астероидов оказалась на уровне 10^-1–10^-2 масс Земли, что значительно выше наблюдаемой сегодня, которая оценивается в 10^-5. Авторы считают, что это связано с дальнейшей эволюцией, в частности, дестабилизирующим влиянием орбитального резонанса между самим Юпитером и Сатурном, или наличием массивного зародыша несформировавшейся планеты. Также не удалось правильно воспроизвести наклоны орбит троянцев: в модели они близки к нулю во всех случаях, а на самом деле могут достигать 30 градусов и более с максимумом около семи градусов. Аналогично удалось воспроизвести появление семейства Хильды, распределение эксцентриситетов и наклонов орбит для него, но его масса также оказалась не несколько порядков больше наблюдаемой.

Восстановление динамики Солнечной системы в прошлом является трудной задачей, которую невозможно решить каким-либо отдельным методом. В недавней работе геологи делали тест «Строительный мусор Солнечной системы».

Тимур Кешелава