Протопланетные диски

Формирование звезд, наблюдаемое и в настоящее время, происходит в газово-пылевых облаках. Такие облака под собственной тяжестью сжимаются и распадаются на фрагменты. По мере сжатия отдельных фрагментов небольшое случайное вращение, которое имело облако до сжатия, усиливается — по закону сохранения момента импульса если вращающиеся тела приближаются к центру вращения, то скорость вращения должна возрасти (так фигуристы на льду прижимают руки к телу, чтобы ускорить свое вращение). В случае газового облака взаимодействие вращения и силы тяжести приводит к тому, что облако принимает форму диска. Вдоль оси вращения сжатие происходит беспрепятственно, а в плоскости диска газ и пыль могут падать к центру, только потеряв по какой-либо причине скорость вращения. Центральное сгущение сжимающегося фрагмента облака — протозвезда — образуется еще до того, как фрагмент сожмется в диск. Гравитационная энергия падающего в протозвезду газа разогревает ее, и еще до начала термоядерных реакций светимость прото­звезды может в сотни раз превышать ее будущую светимость в качестве обычной звезды. Примерно через миллион лет газ из диска в основном попадает в звезду, и светимость ее поддерживается уже только термоядерными реакциями. Известным примером звезды на этой стадии эволюции является T Тельца. Остаток диска, имеющий массу порядка 10 масс Юпитера, постепенно образует планеты (рис. 2.1).

Древнейший известный твердый материал, попавший в руки ученых, — так называемые досолнечные зерна (presolar grains). Эти частицы микронных размеров, найденные внутри метео­ритов, состоят из тугоплавких минералов — карбида кремния, алмаза, оксидов алюминия и титана, оливина и пиро­ксена. Досолнечные зерна отличаются по изотопному составу от остального вещества Солнечной системы. Например, они часто сильно обогащены тяжелым изотопом кальция 44Са. Этот изотоп получается из радиоактивного титана 44Ti с периодом полураспада 60 лет, который, в свою очередь, возникает в больших количествах при вспышках сверхновых. Следовательно, досолнечные зерна образовались в конце жизни различных звезд в процессе сброса их оболочек — как тихого (звездный ветер), так и взрывного (вспышки сверхновых).

Самые древние твердые тела Солнечной системы, кальций-алюминиевые включения, тоже входят в состав метеоритов, но они крупнее, до миллиметра в размере, и в их составе есть и менее тугоплавкие материалы. Возраст всех кальций-алюминиевых включений, определенный с высокой точностью уран-свинцовым методом, одинаков и составляет 4568 млн лет. Момент образования кальций-алюминиевых включений принимается за точку отсчета существования Солнечной системы (табл. 2.1).

Кальций-алюминиевые включения тоже несут в себе изотопные следы вспышек сверхновых в виде избытка 26Mg и 60Ni — продуктов распада радионуклидов 26Al и 60Fe с периодами полураспада 730 000 лет и 2,6 млн лет соответственно. Следовательно, образование Солнечной системы произошло вскоре после вспышки сверхновой в этом районе космоса. Ударная волна от вспышки сверхновой могла стать толчком, запустившим сжатие облака.

Пока не очень понятно, как соотносится изотопная хронология твердых тел Солнечной системы и возраст Солнца. Наиболее вероятно, что кальций-алюминиевые включения сконденсировались, когда Протосолнце высветило большую часть гравитационной энергии и температура внутренних частей диска упала ниже 1500 °C. Этот момент наступил примерно через 200 000–300 000 лет после начала образования Солнца.

Следующим поколением твердых тел Солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов — хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8), а также имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондр указывает на их образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 °C и таком же быстром охлаждении. Что могло быть причиной такого кратковременного нагрева — непонятно. Рассматриваются версии коротких вспышек молодого Солнца, столкновений метеоритов и ударных волн в протопланетном диске. Эпоха образования хондр началась с момента появления кальций-алюминиевых включений и продолжалась примерно 2 млн лет.

Метеориты по минеральному составу делятся на три основных класса — железные, каменные ахондриты и каменные хондриты (рис. 2.2). Хондриты наиболее многочисленны и состоят из хондр, небольшой доли кальций-алюминиевых включений и мелкозернистого матрикса, соединяющего крупные зерна. В состав матрикса часто входят вода и органические соединения. В некоторых хондритах доля органики достигает 30%. Железные метеориты и каменные ахондриты более однородны и имеют следы полного расплавления. Скорее всего, железные метеориты и каменные ахондриты являются осколками крупных, диаметром более 100 км, астероидов, дифференцировавшихся на железное ядро и силикатную мантию, а хондриты никогда не входили в состав крупных тел и сохраняют древнейшие минералы Солнечной системы в неизменном виде. Железные метеориты и каменные ахондриты в среднем на 1–2 млн лет моложе хондритов, но самые древние из них — ровесники древнейших хондритов и кальций-алюминиевых включений.

Образование планетезималей

Размер первых твердых частиц Солнечной системы, кальций-алюминиевых включений и хондр не превышал 1 см. Для того чтобы образовались астероиды и планеты, мелкие частицы должны были сталкиваться между собой и слипаться. Для частиц размером до 10 см основную роль в слипании играют электростатические взаимодействия. Тела километровых размеров (планетезимали) удерживаются вместе своей гравитацией. Долгое время было необъяснимо, как могли образоваться километровые тела, потому что в размерном классе метров-десятков метров столкновения по всем моделям должны приводить к разрушению тел, а не к их росту. Точнее, метровые тела могут увеличиваться за счет столкновения с мелкой пылью, но моделирование показывает, что рост за счет пыли отстает от разрушения за счет столкновений между телами сравнимых размеров. Другим слабым местом небулярной теории образования Солнечной системы было взаимодействие пыли с газом. Газ в протопланетном диске движется по окружности со скоростью меньше орбитальной, так как его дополнительно поддерживает давление нижележащих слоев газа. Пылинка в таких условиях должна тормозиться в газе и падать на Солнце в течение нескольких тысяч лет.

Обе этих проблемы решаются, если газовая часть протопланетного диска была турбулентна и в ней крутилось множество устойчивых вихрей. В этом случае пылинки падают не на Солнце, а к центру ближайшего вихря. В центре вихря скорости столкновения пылинок сильно уменьшаются, а их плотность возрастает, что позволяет метровым частицам слипаться в километровые. Образование планетезимали в вихре занимает не более 10 000 лет, но как долго мог продолжаться период массового рождения планетезималей, не очень ясно. По разным оценкам, он мог составлять от 100 до 500 000 лет.

После того как значительная часть пыли собралась в планетезимали, начинается рост планетных зародышей, в котором основную роль играют их гравитационные взаимодействия. Более крупные тела растут быстрее. Когда появляются первые планетные зародыши размером до 1000 км, их гравитационное воздействие искажает орбиты мелких планетезималей, что повышает скорость их столкновений. В этих условиях мелкие планетезимали уже не могут объединяться друг с другом, а могут только присоединяться к более крупным. Этот период называется «стадией олигархического роста». В течение 1–2 млн лет олигархический рост приводит к объединению большей части твердого вещества в районе планет земной группы и пояса астероидов примерно в сотню планетных зародышей размером 3000–6000 км и массой, составляющей 1–10% массы Земли (в промежутке между массами Луны и Марса). Небольшая часть планетезималей сохранилась до наших дней как астероиды.

Образование планет-гигантов

Планеты-гиганты образовались дальше от Солнца, за «линией льда», где конденсация воды в ледяные пылинки резко увеличила массу материала, доступного для построения планет. Масса Юпитера в 314 раз больше массы Земли, Сатурна — в 94, Урана — в 14 и Нептуна — в 17 раз. Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, на долю тяжелых элементов приходится, по разным оценкам, 15–30 масс Земли в составе Юпитера и 10–20 — Сатурна. Уран и Нептун сложены в основном водой, метаном и аммиаком, доля водорода и гелия в них составляет порядка одной массы Земли.

Зародыши планет-гигантов образовались так же, как и зародыши планет земной группы, но благодаря доступности льда их масса была намного больше, порядка 10 масс Земли. После этого они начали накапливать газ протопланетного диска, и по достижении примерно 25 масс Земли поглощение газа стало лавинообразно нарастать. Большая часть газа была набрана Юпитером и Сатурном в течение всего 10 000 лет. Начальные стадии роста, однако, должны были занять от 3 до 10 млн лет, иначе гравитационное влияние Юпитера помешало бы образованию планетных зародышей во внутренних областях Солнечной системы. Уран и Нептун, скорее всего, росли еще дольше и не успели набрать достаточно большую массу к моменту рассеяния протопланетного диска.

Образование планет земной группы

После того как во внутренней части Солнечной системы остается около 100 планетных зародышей, их дальнейший рост замедляется, так как из-за их малого числа вероятность столкновений сильно снижается. Постепенно взаимное притяжение зародышей искажает их орбиты, и столкновения все же происходят. Несмотря на большие скорости столкновения, превышающие 10 км/с, зародыши объединяются благодаря гравитации. Во всех численных моделях этого процесса в течение 50–100 млн лет из зародышей образуются от трех до пяти планет с размерами от Марса до Земли и устойчивыми орбитами.

В районе пояса астероидов исходно находятся планетные зародыши общей массой до двух масс Земли, однако формирования планет из них не происходит из-за влияния Юпитера. Те зародыши, которые оказались с ним в орбитальном резонансе, быстро переходят на все более вытянутые эллиптические орбиты и либо врезаются в формирующиеся внутренние планеты, либо проходят вблизи Юпитера и выбрасываются его тяготением за пределы Солнечной системы. Поскольку орбиты зародышей постоянно меняются из-за взаимодействия друг с другом, в резонансе с Юпитером рано или поздно оказывается большинство из них. Кроме того, из-за вытянутой формы орбит столкновения планетных зародышей в этом районе происходят на очень больших скоростях, и образуется много мелких обломков. В итоге за 100 млн лет в районе пояса астероидов остается около 1% исходной массы в виде небольших тел на эллиптических орбитах, заметно наклоненных к плоскости эклиптики.

Происхождение Луны и спутников Марса

Теория происхождения Луны должна объяснять несколько ключевых фактов. Во-первых, система Земля — Луна обладает большим моментом импульса, из которого основная часть приходится на орбитальное движение Луны. Во-вторых, породы Луны по химическому составу похожи на земную мантию, но в них практически нет воды, азота, инертных газов и других летучих веществ. Содержание умеренно летучих элементов, таких как сера, хлор, натрий и свинец (они переходят из минералов в газ при температурах 500–700 °C), в породах Луны в несколько раз ниже по сравнению с Землей. Железное ядро Луны очень мало и составляет около 1% ее массы (на ядро Земли приходится более 30% массы планеты). В-третьих, изотопный состав всех элементов в лунном грунте точно такой же, как на Земле. Это очень важно, потому что по соотношениям изотопов кислорода, кремния и титана Земля, Марс и все семейства метеоритов четко отличаются друг от друга. Иначе говоря, судя по изотопному и химическому составу, похоже, что Луна — это вырванный кусок земной мантии с небольшой примесью железа, который после отделения был полностью расплавлен и лишился всех летучих веществ.

К середине XX века, пока состав Луны не был известен, в астрономии конкурировали три гипотезы ее происхождения. По одной из них Луна когда-то была самостоятельной карликовой планетой, захваченной Землей. По другой она образовалась одновременно с Землей при росте последней в центре вихря в газово-пылевом диске (эта гипотеза сейчас подтверждена для спутников планет-гигантов). По третьей центробежная сила на быстро вращающейся молодой Земле привела к отрыву фрагмента земной коры и мантии и выходу его на околоземную орбиту.

Как только на кораблях «Аполлон» и советских автоматических зондах «Луна» на Землю были доставлены образцы лунного грунта, его анализ показал, что захват отдельно сформированной Луны исключается из-за ее точного совпадения с Землей по изотопному составу. Рост Луны в газово-пылевом вихре вместе с Землей тоже исключается, потому что по гафний-вольфрамовым изотопным часам она сформировалась через 50 млн лет от начала Солнечной системы, когда газ давно рассеялся. Отрыв фрагмента Земли из-за быстрого вращения не объясняет полное расплавление Луны и требует нереалистично высокой скорости вращения — около двух часов на оборот. По современным представлениям, Луна появилась в результате масштабного столкновения Земли с другой протопланетой из выброшенных на околоземную орбиту расплавленных обломков.

Как описано выше, образование планет земной группы включало несколько десятков крупных столкновений. Многие из них проходили по касательной, что приводило к выбросу в космос большой массы обломков. Согласно изотопным часам, Луна на 50 млн лет моложе Солнечной системы, т.е. удар, породивший ее, был одним из последних в истории формирования Земли.

Численное моделирование удара, приводящего к образованию Луны (Canup, Asphaug, 2001), показало, что масса столкнувшегося тела (оно получило название Тейя) должна быть примерно равна массе Марса (в 10 раз меньше массы Земли); угол удара — от 30 до 50 градусов в зависимости от предшествующего вращения Земли; выброшенный в космос материал происходит в основном из мантий Земли и Тейи, что соответствует малому содержанию железа в Луне. Энергия удара разогревает Землю настолько, что вся ее поверхность представляет собой океан магмы, окутанный плотной и протяженной атмо­сферой силикатных паров, CO2 и водяного пара. Благодаря этой атмосфере изотопный состав Земли и Луны выравнивается. Обломки на околоземной орбите собираются в Луну в течение всего нескольких лет, начальная высота ее орбиты составляет 25 000–30 000 км (примерно в 15 раз меньше современной). Через 1–2 млн лет поверхность Земли охлаждается достаточно для появления первых твердых пород земной коры.

Спутники Марса — Фобос и Деймос — очень малы и ранее считались захваченными астероидами. Однако прямое измерение массы Фобоса по влиянию на орбиты космических зондов показало, что его плотность (1,8 г/см3) необычно мала для астероидов. По данным спектрального анализа, поверхность Фобоса сложена филлосиликатами — рыхлыми слоистыми минералами, обычными на поверхности Марса. Эти данные означают, что Фобос сложен материалами, выброшенными с Марса при ударах метеоритов, и в отличие от Луны его поверхность никогда не была полностью расплавлена. Возраст Фобоса пока неизвестен, не исключено, что он накапливал выбрасываемые с Марса обломки на протяжении миллиардов лет.

Эволюция системы Земля — Луна

Радиус лунной орбиты увеличивается из-за приливного взаимодействия с Землей. Момент импульса Земли передается Луне, при этом Луна отодвигается от Земли, а вращение Земли замедляется. Часть энергии вращения при этом рассеивается в тепло. Скорость передачи вращения Луне сильно зависит от приливного трения — меры сопротивления Земли приливным движениям океана и мантии.

Современные измерения при помощи лазерных дальномеров показали, что Луна отдаляется от Земли со скоростью около 3,5 см в год. Рассчитанное из этих данных приливное трение оказывается довольно большим, и получается, что возраст Луны не может превышать 1,5 млрд лет, что противоречит изотопным датировкам и другим данным. В распоряжении ученых есть также данные о скорости вращения Земли за последние 600 млн лет, полученные путем изучения суточных и годовых колец прироста ископаемых кораллов, а также подсчета слоев ритмитов — отложений морских осадков, оставленных приливно-отливными течениями. Эти данные показывают, что темпы замедления вращения Земли колебались, отличаясь в несколько раз в разные эпохи. Колебания связаны с изменением расположения материков и океанов. Мелководные моря тормозят приливную волну сильнее, чем глубокие океаны. Современное расположение материков, перекрывающих экватор в трех местах, тормозит приливную волну гораздо больше, чем было, например, в палеогене — с океаном Тетис между Евразией и Африкой и без Панамского перешейка.

Самая полная последовательность ритмитов, отлагавшаяся в течение 60 лет в позднем протерозое (620 млн лет назад), известна из формаций Рейнелла и Элатина в Австралии (Williams, 2000). Она показывает, что в ту эпоху продолжительность суток составляла 21,8 часа, а радиус лунной орбиты был на 6% меньше современного. Для более древних эпох такие отложения, к сожалению, неизвестны.

Происхождение спутников планет-гигантов

Юпитер, Сатурн и Уран обладают системой из нескольких регулярных спутников, обращающихся в плоскости экватора планеты. У Юпитера и Урана есть по четыре крупных спутника примерно равной массы, а у Сатурна — один большой (Титан), четыре поменьше (Тефия, Диона, Рея, Япет), более 20 совсем мелких спутников и кольца. Какие закономерности определяют количество, размеры и орбиты регулярных спутников?

Общей чертой всех систем регулярных спутников является их масса. Для каждой из планет-гигантов все ее спутники, вместе взятые, составляют около 0,02% массы планеты. Более того, для Нептуна, потерявшего свои регулярные спутники после захвата Тритона, это соотношение тоже верно: масса Тритона составляет 0,025% массы Нептуна. Масса регулярных спутников была меньше этого значения, иначе Тритон, захваченный на ретроградную орбиту, при взаимодействии с регулярными спутниками потерял бы скорость и упал на планету. Это одинаковое отношение масс спутников и планеты неожиданно, потому что планеты-гиганты имеют разный состав и разную историю роста. Сатурн и Юпитер прошли стадию лавинообразного поглощения газа с увеличением массы планеты в 5–10 раз за 1 млн лет, а в истории Урана и Нептуна такого не было.

Первое успешное численное моделирование роста спутников, в котором получились системы, очень близкие к реальным, было опубликовано в 2006 году (Canup & Ward, 2006). В моделировании получился такой сценарий: вокруг растущего гиганта возникает газово-пылевой диск, более плотный, чем большой диск, вращающийся вокруг Солнца. Газ в этом диске падает на планету и несет с собой пыль. Однако высокая плотность пыли и наличие в околосолнечном диске планетезималей приводят к тому, что в околопланетном диске начинают расти спутники. Уже при размерах в несколько километров торможение спутников газом становится незаметным. По мере роста более крупные спутники поглощают или выбрасывают в планету мелких собратьев, и в диске остается от четырех до пяти спутников примерно одинаковых размеров. Однако, когда спутники вырастают очень сильно, до 0,01% массы планеты, их притяжение вызывает спиральные волны плотности в газовом диске, и взаимодействие с этими волнами приводит к тому, что спутники опять начинают терять орбитальный момент и приближаться к планете. Чем крупнее спутник, тем быстрее это происходит. Поэтому первое поколение спутников по очереди, начиная с ближайшего, падает в планету, и когда из них остается один, начинается рост следующего поколения. Этот механизм приводит к ограничению на массу системы спутников в 0,02% массы планеты. Пока идет поглощение газа, все возникающие спутники неизбежно поглощаются планетой. За это время может родиться и погибнуть больше десяти поколений спутников. Лишь когда газ в околосолнечном диске кончается, торможение спутников прекращается, и те спутники, что дожили до этого момента, остаются с планетой на миллиарды лет. Итоговый вид системы зависит от того, в какой момент цикла роста спутников кончился газ. Если это произошло в момент расцвета поколения спутников, то их будет от четырех до пяти примерно равной массы, как у Юпитера и Урана. Если же рост остановился в тот момент, когда остался последний спутник одного поколения и начало расти следующее, то получается система Сатурна с огромным Титаном и несколькими более мелкими спутниками (все остальные спутники Сатурна, вместе взятые, в 15 раз легче Титана).

Отсюда следует, что если бы рост Юпитера остановился чуть раньше или позже, то у него мог возникнуть крупный спутник, в три-четыре раза массивнее Ганимеда и Титана и немного не дотягивающий до массы Марса. В других звездных системах известны более тяжелые газовые гиганты, вплоть до 10 масс Юпитера. У таких гигантов возможно появление спутников массой почти с Землю, а если они находятся на подходящем расстоянии от звезды, то на таком спутнике будет жидкая вода и атмосфера. Так что масса планеты Пандора из фильма «Аватар», обитаемого спутника газового гиганта (72% от земной), находится у верхнего предела масс спутников, а Полифем, вокруг которого она обращается, должен быть гораздо массивнее Юпитера.

Дальше авторы расширили свою модель и вычислили происхождение колец Сатурна (Canup, 2010). Большинство спутников планет-гигантов имеют смешанный силикатно-ледяной состав, и в них содержится до 30–50% скальных пород. Однако кольца Сатурна практически чисто ледяные, и несколько его ближайших спутников (Тефия, Энцелад, Мимас и все мелкие внутренние спутники) — тоже. Мы помним, что у Титана были «братья» — два-три спутника сравнимого размера, которые начали расти одновременно с ним, но ближе к Сатурну, и были им со временем поглощены. Когда они приближались к Сатурну и переходили предел Роша, эти спутники начинали разрушаться. Сначала от них отрывались менее плотные внешние слои — ледяная кора и подледный океан. Более плотное скальное ядро держалось дольше и падало в Сатурн целиком, а вокруг планеты оставалось ледяное кольцо. Поэтому практически оно и состоит из чистого льда.

Пока газ из околосолнечного диска поступал, его падение в Сатурн быстро утаскивало туда же образующиеся кольца. Но когда приток газа прекратился и угроза падения в Сатурн миновала, кольцо от последнего распавшегося спутника осталось на орбите на миллиарды лет. Его масса была в 100–300 раз больше современной. Взаимодействие частиц кольца между собой приводила к размыванию границ кольца: часть обломков приближалась к Сатурну и в итоге падала в него, а другие отдалялись и выходили за предел Роша. Там они собирались в новые спутники, состоящие почти из чистого льда. Далее приливное взаимодействие с Сатурном поднимало их орбиты, и они освобождали место у внешнего края кольца для появления следующих спутников. По мере рассеивания кольца каждый новый спутник получался меньше предыдущего. Поэтому сначала кольцо породило 1000-километровую Тефию, потом Энцелад и Мимас с диаметрами 500 и 400 км, а затем еще более мелкие спутники. Мельчайшие из этих спутников, 20-километровый Пан и 7-километровый Дафнис, могут быть совсем молодыми — их возраст может составлять менее 10 млн лет.

Нерешенные вопросы в моделях происхождении планет

Хотя многие особенности строения Солнечной системы хорошо описываются моделями происхождения, которые были крат­ко рассмотрены выше, есть и несколько серьезных нерешенных вопросов. Вот основные из них:

• при образовании планет земной группы из зародышей орбиты планет в моделях получаются более вытянутыми и наклонными, чем в реальности;
• Марс в моделях оказывается крупнее, чем в реальности, часто — самой крупной планетой земной группы;
• осевое вращение планет земной группы определяется случайными событиями столкновения планетных зародышей, и в моделях оси вращения планет ориентированы случайно. В реальности оси вращения Меркурия и Венеры практически перпендикулярны к плоскости орбиты, а Земли и Марса — отклоняются от перпендикуляра не более чем на 30 градусов. Кроме того, реальное осевое вращение Меркурия и Венеры необъяснимо медленное;
• при образовании планет-гигантов начало поглощения газа (который, как мы помним, вращается со скоростью меньше орбитальной) должно приводить к быстрому (в течение тысяч лет) приближению планеты к Солнцу, которое может остановиться только в свободной от газа ближней окрестности Солнца, т.е. внутри орбиты Меркурия;
• в районе орбиты Нептуна не должно было быть достаточно материала для формирования планеты такой массы.

Первое затруднение связано с ограничениями численного моделирования. Чтобы вычисления заняли разумное время, приходится уменьшать число моделируемых объектов, при этом из рассмотрения выпадают мелкие планетезимали и обломки, образующиеся при столкновении планетных зародышей. Масса этих мелких тел хотя и меньше, чем масса моделируемых планетных зародышей, но сравнима (различие, по разным оценкам, составляет от двух до пяти раз). Взаимодействие растущих планет с мелкими телами в среднем приводит к скруглению и уменьшению наклонения орбит планет, а мелкие тела при этом выбрасываются в пояс астероидов.

Причины различия массы Марса между моделями и реальностью пока непонятны. Историю осевого вращения планет мы вскоре рассмотрим. А два последних расхождения между моделями формирования планет и реальностью получили блестящее объяснение в рамках так называемой модели из Ниццы, названной по месту работы ее авторов, опубликованной в трех статьях в журнале Nature (Gomes et al., 2005; Tsiganis et al., 2005; Morbidelli et al., 2005). Эта модель объясняет и другие особенности Солнечной системы — количество и параметры орбит нерегулярных спутников планет-гигантов, орбиты объектов пояса Койпера, комет, астероидов-троянцев, а также «позднюю тяжелую бомбардировку» через резонансные взаимодействия Юпитера и Сатурна в первый миллиард лет существования Солнечной системы.

Осевое вращение планет земной группы и особенности Венеры и Меркурия

Вращение планет-гигантов имеет однозначное происхождение: оно определяется в основном вращением падавшего в них газа в период лавинообразного накопления, которое, в свою очередь, связано с исходным вращением протопланетного диска. Поэтому Юпитер и Сатурн вращаются в одну сторону с периодом около 10 часов. Периоды вращения большинства крупных астероидов тоже близки к этому значению, и происхождение этого вращения аналогичное — из газового вихря, в центре которого росла планетезималь (Pravec, Harris и Michalowski, 2002). Плохо понятно происхождение вращения Урана и Нептуна — их периоды практически равны и составляют около 16 часов, но ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Вращение планет земной группы при их образовании из планетезималей и планетных зародышей должно было сильно и непредсказуемо измениться при косых столкновениях планетных зародышей. Наклоны осей вращения планет в итоге должны были стать случайными, периоды вращения — тоже, в пределах от нескольких часов до нескольких суток, со средним значением примерно тех же 10 часов. Однако из четырех планет земной группы две (Земля и Марс) имеют наклоны в пределах 30 градусов и периоды вращения около 23–25 часов, а Венера и Меркурий — малые наклоны и огромные периоды вращения 243 и 59 суток. Хуже того, Венера вращается в обратную сторону. Теоретически Венера могла получить обратное вращение за счет удачных направлений скользящих ударов в процессе образования, но ось вращения тогда была бы направлена куда попало.

В случае Земли на основе закона сохранения момента импульса можно рассчитать, что сразу после образования Луны на орбите высотой 25 000–30 000 км период вращения Земли должен был быть около шести часов. Это лучше согласуется со «средним по системе» 10-часовым периодом вращения. У Марса подобных тормозящих спутников нет, Фобос немного ускоряет осевое вращение Марса, но его влияние пренебрежимо мало. С Венерой и Меркурием же ситуация совершенно непонятная.

Возможно, их медленное вращение — это результат приливного торможения? Но обе планеты не имеют спутников, а приливное торможение Солнца вроде бы недостаточно сильно. Есть, однако, старая, еще XIX века, гипотеза, что Меркурий когда-то в древности был спутником Венеры. Так как его масса в пять раз больше массы Луны, то и приливные эффекты должны быть мощнее. Численное моделирование системы Венера — Меркурий (Van Flandern, Harrington, 1976) показывает, что при сравнимом с Землей приливном торможении Венеры Меркурий должен был за 0,5–1,5 млрд лет отдалиться от Венеры на расстояние около 450 000 км и перейти на эллиптическую орбиту вокруг Солнца. При этом период осевого вращения Меркурия к моменту расставания с Венерой должен был составлять около 40 суток, период вращения Венеры — меньше, порядка 20 суток. Опасных сближений Меркурия с Венерой в дальнейшем не происходит. Последующее замедление вращения Меркурия и скругление орбиты объясняется приливным взаимодействием с Солнцем, однако эксцентриситет (мера вытянутости) его орбиты остается самой большой из всех планет.

Гипотеза о Меркурии как о бывшем спутнике Венеры объясняет сильную потерю вращения этими планетами и вытянутость орбиты Меркурия, но вызывает другие сложные вопросы. Например, орбита Меркурия после расставания с Венерой оказывается гораздо больше, чем в реальности, и нет никаких причин для уменьшения ее размеров. Непонятно, как могла образоваться система Венера — Меркурий. Меркурий слишком велик и, главное, слишком богат железом, чтобы, подобно Луне, сформироваться из обломков, выброшенных при косом столкновении планетного зародыша с Венерой. Возможно, если удар был совсем скользящим, то планетный зародыш полетел дальше, оставив на Венере часть своей силикатной мантии, но в таком случае он должен был бы упасть на планету окончательно на следующем обороте. Условия для захвата спутника при скользящем столкновении пока не удалось подобрать.

Другое возможное объяснение изменения осей вращения планет — их слабые приливные взаимодействия друг с другом. Расчеты этих взаимодействий (Laskar и Robutel, 1993) показывают, что в широком диапазоне периодов вращения (приблизительно от 100 до 400 часов для Меркурия и от 20 до 100 часов для Венеры) положение оси вращения испытывает хаотические колебания на промежутках времени в миллионы лет, при этом наклон оси может изменяться от 0 до 90 градусов. Следовательно, когда периоды вращения Меркурия и Венеры проходили эти диапазоны, положение их осей изменилось и стерло все следы исходного положения. Когда приливное трение Солнца затормозило их вращение сильнее и вывело из диапазона неустойчивости, наклоны осей Меркурия и Венеры перестали изменяться и застыли на современных значениях.

Для Марса аналогичные хаотические колебания наклонения от 0 до примерно 60 градусов должны происходить и при его современном периоде вращения (24,5 часа), и мы не видим их только из-за большой длительности. Впрочем, свидетельства этих колебаний могут быть найдены при изучении геологии и климата Марса. Земля формально тоже находится в зоне неустойчивости, но наличие Луны подавляет колебания наклона земной оси, благодаря чему климат Земли на протяжении миллиардов лет был более устойчив, чем климат прочих планет.

Чрезвычайно медленное обратное вращение Венеры пока не нашло окончательного объяснения. Не исключено, что причиной его послужило взаимодействие гравитационных и тепловых приливов, действующих со стороны Солнца на очень массивную атмосферу Венеры.

Поздняя тяжелая бомбардировка и миграция планет-гигантов

Поверхность Луны, Меркурия и в меньшей степени Марса покрыта ударными кратерами. Измерение возраста лунных кратеров показало, что большинство из них появились практически одновременно, 3,9 млрд лет назад — примерно через 650 млн лет после начала образования Солнечной системы. На Земле следы этой бомбардировки были стерты последующей геологической активностью. Распределение размеров кратеров показывает, что большая часть массы выпадавших тел приходится на объекты размером от 1 до 50 км, т.е. планетезимального размерного класса. Причины такого резкого повышения количества столкновений через 500 млн лет после окончания формирования планет земной группы и стабилизации пояса астероидов долгое время были непонятны.

Модели формирования планет-гигантов указывают на неизбежность их миграции к Солнцу при быстром накоплении газа. В 2000-е годы уже было понятно, что это не фантазия теоретиков, — были открыты многочисленные «горячие Юпитеры» у других звезд. Температура этих планет может превышать 2000 °C, а период обращения вокруг звезды — измеряться часами.

Миграция планеты-гиганта приводит к рассеиванию планетезималей и не позволяет образоваться планетам земного типа. Впрочем, если миграция происходит в течение менее 10 000 лет, то заметная часть скальных планетезималей остается во внутренней части системы, и к ним добавляются ледяные планетезимали из внешних областей. В этом случае в зоне жизни возможно образование водяных планет с массой от одной до пяти масс Земли и покрытых океаном толщиной в сотни километров. Такие планеты также были обнаружены у других звезд.

Следовательно, модели формирования планет-гигантов верны хотя бы для части планетных систем, а для описания нашей Солнечной системы надо вводить дополнительные механизмы, предотвратившие миграцию планет к Солнцу. Одна из подсказок тоже была получена из исследований экзопланет — «горячие Юпитеры» часто являются единственной гигантской планетой в системе, а у нашего Солнца планет-гигантов четыре. Возможно, дело в их взаимодействии?

Расчеты показали, что несколько планет-гигантов действительно могут удерживать друг друга от падения к Солнцу. Однако для этого необходимо, чтобы их орбиты были гораздо ближе друг к другу, чем в реальности. В этом случае Юпитер и Сатурн в процессе быстрого накопления газа проделывают в газовом диске общее разреженное кольцо. Сатурн не мигрирует внутрь, так как внутри него газ уже поглощен Юпитером, а миграция Юпитера останавливается, когда он оказывается в орбитальном резонансе 3:2 с Сатурном. Для системы из четырех планет-гигантов миграция тоже останавливается, если орбиты планет были близки друг к другу. Моделирование показало наличие шести устойчивых конфигураций, общей чертой которых является орбитальный резонанс 3:2 между Юпитером и Сатурном.

Авторы «модели из Ниццы» начали с попытки объяснить строение пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку и согласовать устойчивые конфигурации планет-гигантов с наблюдаемой в реальности, где Юпитер и Сатурн близки к резонансу 5:2 и все расстояния между планетами-гигантами гораздо больше, чем в устойчивых конфигурациях (рис. 2.3).

Во всех этих конфигурациях радиус орбиты внешней планеты-гиганта не превышает 17 а. е. (астрономических единиц, 1 а. е. = 150 млн км — радиус орбиты Земли). Для сравнения: современная орбита Нептуна проходит в районе 30 а. е. от Солнца. Причиной изменения орбит планет в «модели из Ниццы» является обширный, плотный древний пояс Койпера, состоящий из ледяных планетезималей общей массой примерно 35 масс Земли. Близкие проходы планетезималей около Урана и Нептуна переводят планетезимали на более близкие к Солнцу и более вытянутые орбиты, а орбиты планет, напротив, отдаляются от Солнца. Заброшенные внутрь планетезимали далее проходят вблизи Сатурна, расширяя и его орбиту. Близкие встречи с Юпитером приводят к другим последствиям — планетезимали оказываются выброшенными из Солнечной системы либо переходят на очень вытянутые эллиптические орбиты с огромными периодами обращения, переходя в облако Оорта. Часть планетезималей попадает на орбиты, проходящие близко к Солнцу, где сталкивается с планетами земной группы. Обмен импульсом между Юпитером и выброшенными планетезималями приводит к тому, что Юпитер, в отличие от других планет-гигантов, немного приближается к Солнцу. Наконец, примерно через 500–600 млн лет смещение Сатурна наружу и Юпитера внутрь приводит к тому, что они попадают в дестабилизирующий резонанс 1:2. Орбиты Юпитера и Сатурна становятся эллиптическими и приводят к близким проходам Сатурна и двух внешних планет. Их орбиты, в свою очередь, тоже вытягиваются. Нептун быстро начинает проходить в густонаселенной части пояса Койпера, и поток планетезималей во внутренние области Солнечной системы возрастает тысячекратно. На планетах земной группы в это время происходит поздняя тяжелая бомбардировка. Динамическое трение Нептуна в поясе Койпера приводит к тому, что его орбита опять скругляется, но на гораздо большем расстоянии от Солнца. Радиус орбиты Сатурна тоже растет, и он уходит от резонанса 1:2. Пояс Койпера разрушается, его ледяные объекты частью выброшены из Солнечной системы, частью столк­нулись с планетами и спутниками, частью перешли на вытянутые кометные орбиты или в облако Оорта. В поясе Койпера остается около 1% его первоначальной массы. В процессе миграции Юпитера внутрь и во время резонанса 2:1 с Сатурном пояс астероидов опять дестабилизируется, астероиды рассеиваются ближе и дальше к Солнцу и тоже вносят вклад в позднюю тяжелую бомбардировку внутренних планет. Это вторая стадия обеднения пояса астероидов, в процессе которого его масса падает примерно с 1 до 0,1% массы Земли.

«Модель из Ниццы» предсказывает, что Нептун до момента поздней тяжелой бомбардировки с большой вероятностью был ближе к Солнцу, чем Уран, что согласуется и с большей массой Нептуна. Предсказываемые близкие прохождения планет-гигантов объясняют происхождение нерегулярных спутников — это были пролетавшие мимо планетезимали, которые были захвачены на орбиты спутников при прохождении около двух планет. Еще одна странная деталь Солнечной системы, получающая объяснение в рамках этой модели, — астероиды-троянцы. Это мелкие объекты, которые движутся по орбите Юпитера на 60 градусов окружности впереди и позади планеты, в так называемых Лагранжевых точках L4 и L5. В настоящее время они находятся в устойчивом равновесии: троянцы не могут покинуть свои орбиты под воздействием других планет, но и новые тела не могут попасть в их ряды. Однако в момент резонанса 1:2 Сатурна и Юпитера объекты в точках L4 и L5 были неустойчивы. Мигрирующие планетезимали могли входить и выходить в эти точки, но после выхода Юпитера из резонанса с Сатурном оставшиеся астероиды были заперты там на миллиарды лет.

Прыгающий Юпитер

При всех достоинствах «модели из Ниццы», объясняющей очень многие свойства Солнечной системы, в ней есть к чему придраться. Прежде всего, в процессе миграции Юпитера он проходит орбитальные резонансы с Марсом. Хотя это не очень опасные резонансы, такие как 1:7, но их достаточно, чтобы орбита Марса вытянулась и стала заходить в пояс астероидов. Ничего подобного в Солнечной системе мы не видим. Второй недостаток относится к судьбе нерегулярных спутников. Модель хорошо предсказывает захват планетезималей на орбиты нерегулярных спутников Сатурна, Урана и Нептуна, но система нерегулярных спутников Юпитера устроена точно так же и, видимо, должна иметь такое же происхождение — путем захвата планетезималей при близких проходах двух планет-гигантов. В классической «модели из Ниццы» близких встреч Юпитера с другими планетами не было. Однако в 10–20% запусков моделирования происходили близкие проходы Урана или Нептуна мимо Юпитера, отчего его орбита изменялась скачкообразно, пропуская опасный резонанс с Марсом, а ледяной гигант (т.е. Уран или Нептун) попадал на удаленную от Солнца орбиту или оказывался выброшенным из системы. В дальнейшем авторы «модели из Ниццы», изучая структуру орбит астероидов, показали, что «прыгающий Юпитер» лучше соответствует реальности, чем плавное изменение орбит в исходной модели (Morbidelli et al., 2010). Более того, сценарий, в котором ледяной гигант выбрасывается из Солнечной системы, тоже возможен: не исключено, что исходно в ней был еще один ледяной гигант, подобный Урану и Нептуну. Такие выброшенные планеты, свободно плавающие в межзвездном пространстве, в последние годы были обнаружены астрономами.

Солнечная система — норма или исключение?

На сегодня ученым известны тысячи различных экзопланет, и можно попытаться сравнить их с планетами Солнечной системы и оценить, насколько устройство нашей системы типично в галактике. Большинство открытых на сегодня экзопланет обнаружены либо методом лучевых скоростей, либо методом транзитов. Чем ближе планета к звезде, тем больше шансов ее обнаружения этими методами, потому что и затмение, и изменение скорости звезды происходит с периодичностью в один оборот планеты.

Кроме того, массивные планеты при любом способе поиска найти легче, чем малые. Поэтому не удивительно, что в начале поиска экзопланет было открыто множество «горячих Юпитеров», очень близких к звезде. С появлением более чувствительных приборов были открыты также легкие экзопланеты с массой порядка земной и даже меньше. Но в целом наши знания о других звездных системах очень отрывочны. Например, если бы мы наблюдали Солнечную систему с расстояния в 100 световых лет нашими современными приборами, то обнаружили бы только Венеру и Землю.

Даже по таким отрывочным данным понятно, что в галактике есть множество звездных систем, не похожих на Солнечную. Например, в системе HD 80606 планета-гигант обращается по сильно вытянутой эллиптической орбите, и расстояние от нее до звезды меняется в 30 раз. Есть системы, в которых одна из планет обращается вокруг звезды не в ту сторону, что остальные. Эти и другие ситуации, кстати, наблюдались во время некоторых запусков «модели из Ниццы». В период нестабильности очень малые отличия начальных условий могут привести к совершенно разным результатам, так что судьба нашей Солнечной системы могла быть совсем другой.

В Солнечной системе есть четкое разделение планет по массам: самая тяжелая силикатно-железная планета (Земля) и самая легкая из гигантов (Уран) отличаются по массе в 14 раз. Среди экзопланет очень многие имеют массу в промежутке между массами Земли и Урана. Ученым удалось измерить диаметр и рассчитать плотность части таких планет. Оказалось, что среди них есть и «мини-Нептуны» с малой плотностью, и «суперземли» с плотностью примерно как у Земли.

Например, в системе Кеплер-11 обнаружено пять планет с массами в диапазоне от двух до восьми масс Земли, а также более массивная шестая, чуть больше Нептуна. Плотность их всех, судя по видимому размеру, невелика — от 0,6 до 1,7 г/см3. Все они расположены очень близко к звезде: орбиты пяти меньших планет меньше, чем у Меркурия, орбита шестой планеты помещается внутри орбиты Венеры. При этом сама звезда Кеплер-11 по массе, спектральному классу и светимости очень похожа на Солнце, но старше — ей около 8 млрд лет (рис. 2.4).

Планеты Кеплер-11 из-за близости к звезде весьма горячи, поэтому у них очень толстые атмосферы с высокими облаками. Судя по массе и видимому диаметру, три планеты (Кеплер-11 d, e, f) могут иметь состав, близкий к нашему Урану и Нептуну, а две ближайшие к звезде (b и c) — меньше водорода и гелия. Мы пока не знаем, из чего на самом деле состоят атмосферы этих планет и тем более сами планеты, но очевидно, что они богаты легкими веществами (водород, гелий, вода) (Lissauer et al, 2011).

Если мы знаем, что «горячие Юпитеры» могут возникать путем миграции планеты-гиганта, захватывающей газ, то происхождение планет системы Кеплер-11 неизвестно. Они слишком близки друг к другу, и небольшое изменение орбиты одной из планет легко может нарушить стабильность всей системы. Кроме того, они слишком малы, чтобы мигрировать за счет захвата газа.

Другая многопланетная система, Кеплер-90, более похожа на Солнечную (рис. 2.5). Звезда Кеплер-90 достаточно близка к нашему Солнцу по массе, светимости и возрасту. Вокруг нее обращаются как минимум семь планет, среди которых есть газовые гиганты снаружи и планеты земного типа вблизи звезды. Однако все их орбиты гораздо меньше, чем в Солнечной системе. Орбиты двух газовых гигантов почти совпадают с орбитами Земли и Венеры у нас. Две планеты земного типа (соответственно в 1,7 и 2,2 раза тяжелее Земли) очень близки к звезде и делают оборот вокруг нее всего за 7 и 8,7 суток, т.е. находятся в орбитальном резонансе 5:4. Температура их поверхности должна быть выше 1000 °C. Наконец, между скальными и газовыми планетами, примерно в районе орбиты Меркурия, обращаются три «мини-Нептуна» с массами 3, 8 и 11 масс Земли. Их орбиты близки к друг другу, и между ними существует орбитальный резонанс 4:3:2. Жизнь, похожая на земную, в этой системе может быть только на спутниках планет-гигантов.

Хотя удаленные от звезд экзопланеты наблюдать очень сложно, все же иногда их находят. Например, в системе HR 8799 при помощи инфракрасного телескопа KeckII удалось обнаружить четыре планеты-гиганта, которые по своим расстояниям от звезды напоминают наши Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, только все орбиты пропорционально увеличены примерно в 2 раза. Массы этих планет очень велики и оцениваются в пределах 2–10 масс Юпитера. Снаружи и внутри от этих планет вокруг звезды обращаются пылевые кольца, соответствующие поясу астероидов и поясу Койпера. Система HR 8799 очень молода, ей около 100 млн лет, и планеты, несмотря на удаленность от звезды, очень горячи (до 1000 °C) за счет гравитационной энергии, выделившейся при их образовании. Поэтому в инфракрасном диапазоне они хорошо заметны даже рядом со звездой (рис. 2.6).

Звезда HR 8799 вдвое тяжелее Солнца, поэтому могла обладать более протяженным и массивным протопланетным диском. Расположение планет в ней напоминает современную Солнечную систему, прошедшую через период орбитальной нестабильности, а не древние сближенные орбиты. Период нестабильности в Солнечной системе случился через 600 млн лет от начала, но в системе HR 8977 из-за большей массы звезды и планет аналогичная нестабильность могла начаться и пройти гораздо быстрее — в пределах 100 млн лет.

К сожалению, для прямого наблюдения планет возможностей существующих приборов почти всегда недостаточно. Астрономы с нетерпением ждут начала работы нового орбитального телескопа имени Джеймса Уэбба в 2019 году. Он намного превзойдет «Хаббл» и наземные телескопы по разрешающей способности и позволит прямо наблюдать аналоги Юпитера и Сатурна у звезд в пределах 100 световых лет от Солнца.

Астрономы попытались статистически оценить уникальность Солнечной системы (Martin, Livio, 2015). Сравнивая наши планеты с чужими, они убедились, что по массе и плотности (и, видимо, по химическому составу) Земля с Венерой, Юпитер, Сатурн и Уран с Нептуном имеют близкие аналоги у других звезд. Аналоги Марса и Меркурия просто невидимы современными приборами. С другой стороны, в Солнечной системе нет суперземель и мини-Нептунов — планет с массой 1–10 масс Земли. Судя по известным экзопланетным системам, 50–80% всех звезд могут иметь суперземлю или мини-Нептун, но наше Солнце здесь является исключением. По параметрам орбит все планеты Солнечной системы достаточно типичны и имеют много близких аналогов. Но в Солнечной системе нет очень близких к звезде горячих планет. Меркурий делает оборот вокруг Солнца за 88 суток, а во многих экзопланетных системах есть планеты с периодами обращения менее 20 суток. Конечно, такие близкие к звезде планеты проще всего обнаружить современными методами, но даже с поправкой на это получается, что они есть в 90% экзопланетных систем (рис. 2.7).

В целом понятно, что в Солнечной системе нет ничего сверхуникального. Она может быть необычна тем, что в ней отсутствуют такие распространенные в Галактике разновидности планет, как суперземли и мини-Нептуны, а также близкие горячие планеты. Но в любом случае Солнечная система, скорее, «одна на тысячу», чем «одна на миллиард».