Если нынешнее положение горячих юпитеров объясняется их миграцией, перед нами встает очевидный вопрос: почему та же судьба не постигла планеты Солнечной системы?

Возможность перемещения планет земной группы в результате миграции вызывает споры. Формирование Земли и ее соседей проходило медленнее, а значит, их масса могла оставаться ниже значения, необходимого для начала миграции, вплоть до момента испарения газа. Согласно еще одному сценарию, наши каменистые миры могла удерживать на их местах одна из упомянутых выше планетных ловушек.

С газовыми гигантами дело обстоит сложнее. Аккумулировать такую атмосферу, как у них, можно только при высоком темпе формирования планеты. Поэтому в их случае могли происходить миграции обоих типов. Даже если бы миграция первого рода замедлилась или остановилась, из-за колоссальной массы мог образоваться газовый разрыв, обеспечивающий начало миграции второго рода, то есть планета продолжила бы смещаться к Солнцу.

Также есть основания полагать, что орбитальное движение все-таки принимало участие в процессе формирования наших планет, по крайней мере в небольшом объеме. Например, газовые гиганты могут быстрее набрать массу за счет миграции в диске. Там, где находятся сейчас Уран, Нептун и пояс Койпера, могло просто не быть достаточного количества материала для образования этих объектов — они могли переместиться туда из более насыщенной веществом области. Но если миграция действительно происходила, тогда что заставило Юпитер остановиться, что не дало ему пронестись по внутренней части Солнечной системы, разрушая все на своем пути, включая Землю?

Не исключено, что события развивались именно по этому сценарию. Ключом к пониманию устрашающего прошлого является Марс. Эту планету назвали в честь древнеримского бога войны, но на самом деле она маленькая и субтильная. Она настолько крохотная, что ее размер стал камнем преткновения для теорий образования планет.

Чем дальше мы удаляемся от Солнца в пределах внутренней области Солнечной системы, переходя от Меркурия к Венере, Земле и Марсу, тем слабее притяжение солнечной гравитации. Благодаря этому область влияния собственной гравитации планеты (ее сфера Хилла) расширяется, что позволяет ей в процессе формирования захватывать каменистые небесные тела с более обширного участка. Увеличение зоны питания должно неизменно приводить к увеличению размера планеты. Поэтому мы должны наблюдать увеличение масс планет, пока не доберемся до Юпитера, чудовищная гравитация которого начинает мешать процессу формирования планет, способствуя образованию пояса астероидов.

Эта логика работает, пока мы не миновали Землю. По идее, Марс должен быть сильно увеличенной версией нашей родной планеты, но на деле его масса в десять раз меньше. Даже если допустить, что при приближении к снеговой линии плотность протопланетного диска постепенно снижается, масса Марса должна составлять от половины до полной массы Земли. Более того, пояс астероидов также должен быть массивнее. Он должен быть наполнен зародышами планет размером с Марс. Однако самый крупный объект в нем — это Церера, которая приблизительно в 100 раз легче Марса.

Чтобы разрешить этот парадокс, достаточно предположить, что за пределами нынешней орбиты Земли концентрация планетезималей была значительно ниже. В отсутствие планетообразующего вещества Марсу и поясу астероидов пришлось довольствоваться их скромными размерами. Но что должно было произойти, чтобы запасы каменистых тел в окрестностях Марса так истощились?

Когда нужно отыскать недостающую массу, подозрение сразу падает на самую крупную и массивную планету в Солнечной системе — Юпитер. Мог ли Юпитер за свою бурную историю сначала отправиться во внутреннюю область Солнечной системы, собирая или рассеивая планетезимали, а затем мигрировать назад, туда, где он находится сейчас?

Эта идея получила воплощение в модели смены галса. Своим названием она обязана маневру, выполняемому парусником, чтобы изменить направление его движения на противоположное. Отправная точка этой модели — формирование Юпитера в протопланетном диске. С увеличением гравитации Юпитера, растущего и все сильнее притягивающего окружающий газ, начинается миграция молодой планеты к Солнцу. Изменение орбиты позволяет растущей планете быстро собирать большое количество планетезималей. Наконец ее масса достигает значения, при котором возникает разрыв в газе. Скорость перемещения Юпитера снижается. Начинается миграция второго рода. Но при этом орбита планеты продолжает сужаться. Часть встречающихся ему на пути планетезималей Юпитер увлекает за собой, заставляя их двигаться по спирали вниз. Другую часть он рассеивает в обратном направлении. В конце подобного сценария планета могла бы стать горячим юпитером. Но тут появляется Сатурн.

Находясь ближе к внешнему краю протопланетного диска, Сатурн формировался медленнее старшего брата. Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы, при этом его масса не превышает трети массы Юпитера. Из-за меньшего веса разрыв в газе вокруг Сатурна был неполным, поэтому скорость миграции была высокой, и Сатурн быстро догнал движущийся по спирали вниз Юпитер.

С сокращением расстояния между планетами уменьшалась и разница между периодами их обращения. В итоге Сатурн занял орбиту, на которой он совершает ровно два оборота вокруг Солнца за то же самое время, за которое Юпитер совершает три оборота. Это соотношение называют орбитальным резонансом. В данном случае он составил 2:3 и разорвать его очень трудно.

Чтобы понять, что делает резонанс настолько стабильным, давайте возьмем в качестве примера две планеты с орбитальным резонансом 1:2. Эти две планеты — Сатурн и Юпитер: первый успевает облететь Солнце дважды, пока второй совершает один полный оборот. При движении по первой половине орбиты Сатурн находится позади Юпитера, и гравитация более крупной планеты тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн оказывается впереди Юпитера, и тот его тянет назад. Таким образом, силы уравновешивают друг друга, и планеты продолжают лететь вокруг Солнца по своим орбитам. Но стоит двум планетам чуть приблизиться друг к другу, как баланс тут же нарушается. Тогда на Сатурн начинает действовать сила, которая тянет его наружу, заставляя планету ускоряться. В итоге Сатурн снова возвращается на резонансную орбиту. Между планетами с другими орбитальными резонансами (например, 2:3 или 1:4) поддерживается точно такой же баланс.

В силу своей стабильности резонансные орбиты не редкость в планетных системах. Например, пока Плутон совершает один оборот вокруг Солнца, Нептун облетает звезду три раза. Спутники Ганимед, Европа и Ио обращаются вокруг Юпитера в резонансе 1:2:4.

Когда Юпитер и Сатурн достигают резонанса 2:3, в результате сближения разрыв вокруг Юпитера и частичный разрыв вокруг Сатурна пересекаются. Юпитер перестает подвергаться воздействию газа с внешней стороны орбиты, и его продолжает тянуть только газ внутри орбиты, который движется с большей скоростью. Что касается Сатурна, он вынужден преодолевать сопротивление газа с внешней стороны орбиты. В результате Сатурн стремится мигрировать по спирали вниз, а Юпитер — вверх. Учитывая, что они движутся по резонансным орбитам, при попытке проследовать мимо друг друга планеты отталкиваются. В этом противостоянии побеждает сильнейший, то есть Юпитер с его более мощной гравитацией. Обе планеты мигрируют к краю Солнечной системы, поглощая на своем пути планетезимали в диске как раз там, где позже будет формироваться Марс.

По возвращении во внешнюю часть Солнечной системы пара планет рассеивает планетезимали, занявшие их прежние места. Выталкиваемые ими каменистые небесные тела покрыты толстым слоем льда, так как их формирование проходило в этой области, за снеговой линией. Они разлетаются во всех направлениях. При этом некоторая их часть заканчивает свой путь в поясе астероидов, превращаясь в богатые водой астероиды класса C. Другие следуют дальше и, возможно, сталкиваются с только что сформировавшейся Землей, обеспечивая водой ее океаны.

Маневр Юпитера и Сатурна также остановил смещение Урана и Нептуна по направлению к Солнцу. После формирования и начала миграции газовые гиганты меньшего размера также рискуют оказаться в ловушке резонансных орбит. Из-за этого планетам очень трудно проскальзывать мимо своих более крупных собратьев и продолжать движение к Солнцу.

Модель смены галса была предложена астрономами Кевином Уолшем и Алессандро Морбиделли в 2011 в г. в статье в журнале Nature. Убедившись в том, что модель смены галса успешно отображает и маленький размер Марса, и астероиды, Морбиделли зашел в кабинет Уолша и признался, что накануне вечером он погрозил пальцем планете-гиганту и сказал: «Юпитер! Я знаю, что ты натворил!»

Когда Юпитер и Сатурн приблизились к своим нынешним орбитам, протопланетный диск рассеялся. Наконец наступил момент, когда сопротивление газа движению планет прекратилось. Но картина образования Солнечной системы не будет полной без еще одной рокировки.

Мы до сих пор не уверены в том, что именно спровоцировало этот беспорядок. Существует две основные гипотезы: модель Ниццы (само название отсылает к голливудским блокбастерам) и модель Ниццы II. Согласно обоим сценариям, причиной хаоса стали отходы фабрики планет.

Сразу за газовыми гигантами начинается море сохранившихся планетезималей. Эти остатки проследовали по краям планетных орбит, сумев избежать как поглощения, так и изгнания из Солнечной системы. В модели Ниццы с исчезновением сопротивления газа притяжение, создаваемое гравитацией планет-гигантов, считается доминирующей силой, вызвавшей проникновение каменистых небесных тел внутрь их орбит.

Под воздействием мощной гравитации газовых гигантов близлежащие планетезимали быстро набирали скорость. Огромная планета не могла их захватить — они двигались слишком быстро и в результате оказывались выброшенными далеко за пределы данной области. Подобно стрелку, ощущающему отдачу при стрельбе из огнестрельного оружия, при выталкивании планетезимали планета получала толчок в обратном направлении. Каждый такой толчок отдачи не оказывал особого влияния на газового гиганта, но с учетом количества рассеиваемых планетезималей это могло в итоге привести даже к изменению орбиты планеты. Такой новый вид движения называют миграцией, обусловленной планетезималями.

Учитывая трудности, которые возникают при попытке объяснить формирование Урана и Нептуна на их нынешних орбитах, высказывается предположение, что в момент рассеивания протопланетного диска эти две планеты были намного ближе друг к другу. И если Юпитер мог оставаться на расстоянии 5 а.е., то Нептун должен был находиться не в 30, а 15 а.е. от Солнца. В промежутке между этими двумя планетами должны были располагаться Сатурн и Уран. В процессе рассеивания планетезималей тесный союз планет должен был распасться, то есть расстояния между ними должны были увеличиться.

В результате расхождения орбит Юпитер и Сатурн вошли во второй орбитальный резонанс. Однако на этот раз планеты не были сцеплены резонансом. Если при сближении планеты могут заставить друг друга поддерживать резонансные орбиты, то остановить друг друга при расхождении они не в состоянии. При прохождении резонанса Юпитер и Сатурн испытали гравитационный толчок, который изменил орбиты планет, сделав их более эллиптичными.

Двигаясь по измененным орбитам, две самые большие планеты переместились ближе к Урану и Нептуну, и две меньшие планеты оказались вытолкнуты вовне и вклинились в скопление планетезималей на краю системы. Результатом стало массовое рассеивание каменистых тел, которые разлетелись по всей Солнечной системе. Одни были вытеснены на окраину, образовав пояс Койпера; другие бомбардировали внутренние планеты; третьи совсем покинули область планет, найдя пристанище в облаке Оорта.

Модель Ниццы получила название в честь города, в котором была сформулирована эта идея. В модели Ниццы II аналогичный сценарий был предложен для области между остатками планетезималей на краю системы и газовыми гигантами. Согласно этой версии, планетезималям не нужно было проникать внутрь и рассеиваться. Гравитационного притяжения поля каменистых обломков было достаточно, чтобы нарушить резонансы между газовыми гигантами и спровоцировать хаос. При кажущейся умозрительности этих моделей, доказательства масштабного рассеивания небесных тел можно найти на поверхности Луны. Обследование лунных кратеров говорит о резком всплеске метеоритной активности 700 млн лет назад.

После рассеивания планетезималей планеты-гиганты наконец заняли постоянные орбиты. Уран и Нептун расположились там, где они находятся сейчас, — на большем удалении, в окружении моря планетезималей, вытолкнутых движением Нептуна и образовавших пояс Койпера.