Сет Джейкобсон (Seth Jacobson) з Університету штату Мічиган та його колеги з Китаю та Франції оприлюднили нову теорію, яка може допомогти розкрити таємницю про те, як розвивалася Сонячна система. Зокрема, як газові гіганти, що обертаються навколо Сонця, — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — опинилися там, де вони є нині?

Дослідження також має значення для питання про утворення планет земної групи, таких як Земля, і, ймовірно, може свідчити про те, що п’ятий газовий гігант ховається на відстані 80 мільярдів кілометрів від Сонця.

«Сонячна система не завжди мала такий вигляд, як нині. За свою історію орбіти планет радикально змінилися», — сказав Джейкобсон, старший викладач кафедри наук про Землю та навколишнє середовище Коледжу природничих наук. «Але ми можемо з’ясувати, що сталося».

Дослідження, результати якого оприлюднив журнал Nature 27 квітня 2022 року, пропонує пояснення того, що сталося з газовими гігантами як в Сонячній системі, так і в планетних системах біля інших зір.

Це модель Ніцци (Nice model)

Зорі народжуються з масивних, закручених хмар космічного газу та пилу. Після того, як виникло Сонце, рання Сонячна система все ще була заповнена первинним газовим диском, який відіграв істотну роль у формуванні та еволюції планет, зокрема і газових гігантів.

Наприкінці ХХ ст. науковці сприйняли ідею про те, що газові гіганти спершу оберталися навколо Сонця на гарно допасованих, компактних, рівномірно розміщених орбітах. Однак Юпітер, Сатурн та інші планети-гіганти вже давно містяться на відносно видовжених, похилих і розкиданих орбітах. У зв’язку з цим виникає питання: «Чому так трапилося?».

У 2005 році міжнародна група науковців у трьох важливих статтях в Nature запропонувала відповідь на це питання. Оскільки пояснення було знайдено в Ніцці (в Обсерваторії Лазурного берега — Ред.) у Франції, то його назвали модель Ніцци. Згідно з нею, у ранній Сонячній системі між планетами існувала нестабільність (хаотичні гравітаційні взаємодії), що врешті-решт привело до розміщення планет на їхніх нинішніх орбітах.

«Це стало тектонічним зрушенням в тому, як науковці уявляли розвиток ранньої Сонячної системи», — сказав Джейкобсон.

Модель Ніцци досі є головним поясненням, але за останні 17 років вчені сформулювали нові уявлення про те, що спричиняє нестабільність в моделі Ніцци.

Наприклад, спершу дослідники вважали, що нестабільність серед газових гігантів сталася через сотні мільйонів років після розсіювання того первинного газового диска, з якого сформувалася Сонячна система. Але новіші докази, зокрема ті, які виявлено з аналізу місячного ґрунту, доставленого на Землю під час місій «Аполлон», свідчать про те, що це сталося швидше. Це також породжує нові питання про те, як розвивалася внутрішня Сонячна система, тобто та частина нашої планетної системи в якій міститься Земля.

Об’єднавши зусилля з Бейбей Лю (Beibei Liu) з Чжецзянського університету в Китаї та Шоном Реймондом (Sean Raymond) з Університету Бордо у Франції, Джейкобсон допоміг знайти рішення, пов’язане з тим, як почалася нестабільність. Науковці запропонували новий тригер (подія чи явище, які спричиняють зміни в системі — Ред.).

«Я гадаю, наша нова ідея справді може послабити напруженість у цій галузі, бо запропонований нами механізм є цілком природною відповіддю на те, коли сталася нестабільність планет-гігантів», — сказав Джейкобсон.

Уявлення художника про гіпотетичну ранню планетну систему з молодою зорею, яка розчищає шлях у газі та пилу, що залишилися після її утворення. Це очищення вплине на орбіти газових гігантів, що обертаються навколо зорі. Фото з сайту https://phys.org.

Новий тригер

Ідея виникла під час розмови Реймонда та Джейкобсона ще в 2019 році. Вони припустили, що газові гіганти могли розміститися на їхніх нинішніх орбітах через випаровування первинного газового диска. Це могло б пояснити, чому планети зайняли свої орбіти набагато раніше у процесі еволюції Сонячної системи, ніж спочатку передбачала модель Ніцци. Ба більше, можливо, це відбулося навіть без гравітаційної нестабільності.

«Нам було цікаво, чи справді модель Ніцци потрібна для пояснення Сонячної системи», — сказав Реймонд. «Ми висловили ідею, що планети-гіганти можуть розміститися на орбітах через ефект «відскоку», коли диск розсіється, можливо, ніколи не досягаючи нестабільного етапу розвитку».

Потім Раймонд і Якобсен звернулися до Лю, який використав ідею ефекту відскоку в моделюванні газових дисків і великих екзопланет — планет біля інших зір.

«Ситуація в Сонячній системі дещо інша, бо Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун розподілені на більш широких орбітах», — сказав Лю. «Повторивши кілька разів мозковий штурм, ми зрозуміли, що проблему можна вирішити, якщо газовий диск розсіється зсередини».

Науковці виявили, що це розсіювання навиворіт стало природним тригером для нестабільності в моделі Ніцци, сказав Реймонд. «У підсумку ми зміцнили модель Ніцци, а не знищили її», — зауважив він. «Це була весела ілюстрація перевірки наших упереджених ідей і слідування результатам, куди б вони не вели».

З новим тригером картина на початку нестабільності має той самий вигляд. Все ще зароджується зоря, оточена хмарою газу та пилу. Кілька молодих газових гігантів обертаються навколо неї на стабільних і компактних орбітах, проходячи крізь цю хмару.

«Усі планетні системи формуються в диску з газу і пилу. Це природний побічний продукт формування зір», — сказав Джейкобсон. «Але коли “спалахує” зоря, тобто починає спалювати своє ядерне паливо, вона випромінює світло. Це приводить до нагрівання диска і врешті-решт до видування його зсередини».

Внаслідок цього в хмарі газу, центром якої є Сонце, виникає діра, що постійно збільшується. У міру зростання діри її край перетнув орбіту кожного газового гіганта. Згідно з комп’ютерним моделюванням науковців, таке явище з дуже високою ймовірністю приводить до потрібної нестабільності планети-гіганта. Процес переміщення великих планет на їхні теперішні орбіти також відбувається швидше, як порівняти з проміжком часу в оригінальній моделі Ніцци, що мав би тривати сотні мільйонів років.

«Нестабільність виникає рано, коли газовий диск навколо Сонця розсіюється. Це відбувається в межах від кількох мільйонів років до 10 мільйонів років після народження Сонячної системи», — сказав Лю.

Новий «спусковий механізм» (тригер) також спричиняє змішування речовини зовнішньої Сонячної системи і внутрішньої. Геохімія Землі вказує на те, що таке змішування мало відбутися, поки наша планета ще перебувала в середині процесу формування.

«Цей процес справді сколихне внутрішню Сонячну систему, і Земля може вирости з цього», — сказав Джейкобсон. «Це цілком відповідає спостереженням». Дослідження зв’язку між нестабільністю та формуванням Землі є предметом майбутнього дослідження групи.

Ця анімація показує результати моделювання, що ілюструє, як розсіювання газопилового диска могло спричинити перебудову Сонячної системи. Внутрішній край диска, показаний у вигляді вертикальної сірої лінії, починається біля Сонця (крайнє ліворуч) і проходить через орбіти Юпітера, Сатурна, гіпотетичного п’ятого газового гіганта, Урана і Нептуна. Відео з сайту https://phys.org/.

Нарешті, нове пояснення науковців також стосується інших планетних систем у нашій галактиці, де вчені спостерігали газові гіганти, які обертаються навколо своїх зір на орбітах, схожих до тих, що є в Сонячній системі.

«Ми лише один із прикладів планетної системи в нашій галактиці», — сказав Джейкобсон. «Ми показуємо, що нестабільність виникла іншим способом, більш універсальним і більш послідовним».

Планета 9 в зовнішньому космосі

Хоча в статті науковців про це не йдеться, Джейкобсон сказав, що ця робота має наслідки для одного з найпопулярніших питань про нашу Сонячну систему, яке час від часу спричиняє гарячі дебати серед астрономів: скільки в ній планет?

Наразі відповідь — вісім, але виявляється, що модель Ніцци має трохи «стрункіший» вигляд, якщо розглядати в ранній Сонячній системі п’ять газових гігантів замість чотирьох. Згідно з моделлю, ця зайва планета була викинута з нашої планетної системи під час нестабільності, що й допомогло газовим гігантам, які залишилися, знайти свої орбіти.

Однак у 2015 році дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту знайшли докази того, що на околиці Сонячної системи може бути ще невідкрита планета, яка лежить на відстані приблизно 80 мільярдів кілометрів від Сонця, приблизно на 75 мільярдів км далі, ніж Нептун.

Досі немає конкретних доказів того, що ця гіпотетична планета — її називають Планета X або Планета 9 (Planet 9) — або «додаткова» планета моделі Ніцци, насправді існує. Але якщо так, чи може об’єкт каліфорнійських науковців бути планетою на яку вказує модель?

Джейкобсон і його колеги не змогли відповісти на це питання прямо за допомогою свого моделювання, але вони зробили цікаву справу. Знаючи, що їх тригер нестабільності правильно відтворює поточну картину Сонячної системи, вони змогли перевірити, як працює їхня модель, коли на початку формування планетної системи в ній було чотири чи п’ять газових гігантів.

«Для нас результат був дуже схожим, якщо на початку було чотири або п’ять», — сказав Джейкобсон. «Якщо ви почнете з п’яти, ви, найімовірніше, отримаєте чотири. Але якщо ви почнете з чотирьох, орбіти врешті-решт краще відповідатимуть тим, що є насправді».

У будь-якому разі, людство має отримати відповідь найближчим часом. Обсерваторія Віри Рубін, яку планують ввести в дію до кінця 2023 року, матиме, мабуть, змогу виявити Планету 9, якщо вона існує.

«Планета 9 дуже суперечлива, тому ми не наголошували на ній у статті, — сказав Джейкобсон, — але нам подобається говорити про неї з громадськістю».

Це нагадування про те, що Сонячна система — місце динамічне, яке все ще сповнене таємниць. Тому нас чекають нові відкриття.

За інф. з сайту https://phys.org