Юпитер, держись!

alex_anpilogov — 17.03.2016
Влюблённая пара делает селфи на скалах в раоне Рио-де-Жанейро. Нет, девушку зовут не Юпитер.
Но аналогия с положением Юпитера и Сатурна в «начале времён Солнечной системы» достаточно точная.

Читатели, ознакомившиеся с первой частью моего рассказа о «Планете Х», могли уловить в нём одну недосказанность. В тот момент, когда я рассказывал о «поршне Юпитера», который разрушительным гравитационным вихрем прошёлся по внутренней части периферии формирующейся Солнечной системы, я не рассказал о том, почему и где он остановился.
Именно эта чудесная во многом остановка Юпитера «всего лишь» в 43 световых минутах от Солнца (или в 779 миллионах километров, если мыслить «земными» расстояниями) и спасла нашу нарождающуюся Землю от разрушительного похода первой планеты-гиганта Солнечной системы дальше, всё ближе и ближе к центральному светилу.
И сказать «спасибо!» по этому случаю нам надо как раз Сатурну, который и удержал Юпитер на его нынешней орбите.

Почему же в начале формирования Солнечной системы Юпитер двинулся навстречу Солнцу, как и почему его остановил Сатурн и в силу чего нам сейчас не стоит беспокоиться о столкновении Юпитера с Землёй?


Надо сказать, что начальные стадии исследования экзопланет принесли учёным немало сюрпризов. Прежде пустое пространство вокруг других звёзд в 1990е-2010е годы, буквально за четверть века, стремительно заполнилось сначала сотнями, а теперь уже и тысячами далёких планет. Стало очевидно, что более вероятным сценарием является скорее нахождение планеты без родительской звезды, нежели звезды без собственной свиты своих планет.

Экзопланеты оказались очень разнообразными по виду, по размеру и по занимаемой орбите. И одной из наибольших неожиданностей оказалось нахождение большого количества планет-гигантов в непосредственной близости от своих центральных светил — гораздо ближе, чем расположен Меркурий в нашей собственной Солнечной системе.

Такие планеты назвали «горячими юпитерами» в силу того, что их размер и масса примерно соответствуют нашему Юпитеру, а вот температура их поверхности просто безумна по меркам не только Юпитера, но и даже Меркурия, достигая 1500 К, а иногда, для самых близких к своим светилам планет, и превышая 3000 К. При такой температуре на планете буквально «камни падают с неба» — в атмосфере планеты испаряется и кремний, и железо, в результате чего на «горячих юпитерах» с неба вполне могут падать капли силикатных или железистых соединений.


Некоторые «горячие юпитеры» расположены столь близко к собственным звёздам, что буквально сгорают в их короне за период в десятки миллионов лет, постепенно теряя собственное вещество.

Открытие «горячих юпитеров» поставило простой вопрос: как и где образовались эти небесные артефакты — и почему наша собственная Солнечная система имеет Юпитер, расположенный на расстоянии 5 а.е. от Солнца, а не 0,05 а.е., как нам показывают многие «горячие юпитеры»?

По всем современным представлениям планетарное тело размером с наш собственный Юпитер может сформироваться в рождающейся солнечной системе на её холодной периферии, на которой влияние молодого светила ещё минимально.
Как вы помните из предыдущих статей, в момент организации молодого звёздного объекта в родившейся звёздной системе уже есть чётко сформированная протозвезда и протопланетный диск. На следующей стадии эволюции, при формировании молодой звезды, живущей и светящейся за счёт гравитационного сжатия и за счёт первых робких попыток поджечь сначала литий, а потом и выйти на привычный протон-протонный цикл, протопланетный диск начинает испытывать влияние света и тепла молодой звезды.

Звёзды типа Т Тельца и Ае/Ве Хербига расположены в верхней части диаграммы Герцшпрунга-Рассела, что означает, что они — очень яркие по сравнению со своими «двоюродными сёстрами» с главной последовательности. Это значит, что будущий красный карлик, который мы и не заметим в будущем на расстоянии в сотню световых лет, светит при своём рождении ярче Солнца или даже Сириуса.
Это означает, что уже на стадии молодой звезды центральное светило очень быстро «разгоняет» своим солнечным ветром и теплом межзвёздный газ из внутренней системы, где остаётся в основном пыль и другой тугоплавкий материал, из которого потом и формируются планеты земной группы.

Я уже писал об этом факте в первой части рассказа о поисках «планеты Х» — уже на стадии молодой звезды протопланетный диск имеет чётко выделенные зоны, разделённые «линией сажи» (англ. soot line) и «линией льда» (англ. frost line).



Обычно первая планета-гигант формируется сразу за «линией льда», куда выдувает почти весь газ и почти все лёгкие соединения из внутренней части системы. Других вариантов набрать столь значительную массу у планеты нет: уже на этапе гравитационного сжатия молодого звёздного объекта протопланетный диск значительно отстаёт по скорости уплотнения межзёздного газа от будущей звезды. К моменту зажигания молодой звезды типа Т Тельца или Ае/Ве Хербига процессы формирования будущих планет-гигантов только стартуют.

Поэтому сегодня расстояние в 5-10 а.е. считается достаточно стандартным для формирующихся планет-гигантов: ближе к центральному светилу уже и слишком жарко, и газа там практически нет.

Как же «горячие юпитеры» потом оказываются возле центральной звезды? По этому поводу есть две основные гипотезы: либо гравитационное и упругое взаимодействие с протопланетным диском, либо же гравитационное взаимодействие с другой формирующейся планетой-гигантом.

В первом случае горячий Юпитер как бы «трётся» об остатки протопланетного диска и о мелкие планетозимали, расположенные ближе него к светилу, постепенно, по спиральной орбите сползая к звезде.
Во втором варианте происходит «гравитационное столкновение» двух планет-гигантов, в котором два уже достаточно сформировавшихся гиганта сильно сближаются друг с другом, гравитационно взаимодействуют и резко возмущают орбиты друг друга. Одна из планет в результате такого взаимодействия может вообще быть выброшена из будущей системы, а вот вторая — должна перейти на высокоэллиптическую орбиту с очень низким перигелием. Впоследствии такая вытянутая орбита постепенно скругляется приливными силами звезды, и планета-гигант, вначале, подобно комете, то приближающаяся, то удаляющаяся от звезды, в итоге оказывается на тесной, 3-5 суточной орбите «горячего юпитера» возле центральной звезды.


Представление художника о формировании орбиты горячего юпитера в плотном протопланетном диске молодой звезды.

Судя по всему, исходя из наших наблюдений за экзопланетами, нашей собственной Солнечной системой и моделированием поведения планет, протопланетного диска и звёзд на начальной стадии эволюции — образование обычных или горячих юпитеров находится в сложной зависимости от плотности начального протопланетного диска, от быстроты процессов звёздной эволюции в центральном светиле и дополнительно — от случайных процессов начальной конденсации вещества в первые планеты-гиганты.

Можно сказать, что нам с вами в чём-то несказанно повезло, что наш Сатурн сформировался достаточно быстро и после возникновения Юпитера и достаточно близко к нему (что позволило ему стать неким гравитационным «якорем» для нашего Юпитера), но, с другой стороны, возник и не в непосредственной близости от Юпитера, что позволило избежать второго сценария, когда бы Сатурн выкинули куда-нибудь за пределы пояса Койпера, а Юпитер, в свою очередь, улетел бы к Солнцу, попутно разнеся всю внутреннюю систему, включая и нерождённую Землю.

С другой стороны, проблем выстраивания гравитационных орбитальных резонансов планеты-гиганты избежать объективно не могли, в силу чего «отдуваться» за их разборки между собой пришлось уже внешней системе, в результате чего наша Солнечная система потеряла около 99% вещества изначального пояса Койпера.

С процессом рассеивания вещества пояса Койпера и изменением орбит внешних планет-гигантов и связана, кстати, новая гипотеза Батыгина и Брауна о девятой планете, со всей аргументацией по которой вы можете ознакомится в их блоге.


Наглядная визуализация наших знаний о внешней Солнечной системе: сиреневым цветом показаны наблюдаемые орбиты седноидов (удалённых объектов рассеянного диска), бирюзовым — орбиты долгопериодических комет, жёлтым — орбита гипотетической «планеты Х».

Подобно возможному выбросу горячего юпитера вовнутрь звёздной системы, а его компаньона — куда-то на задворки, процесс рассеивания изначального пояса Койпера и внешних планет-гигиантов должен был проходить с учётом законов сохранения импульса и момента импульса. То бишь — если мы что-то «выкидываем» из уже сформировавшегося протопланетного диска в одну сторону, то нечто со сравнимой массой должно вылетать в противоположную сторону. По другому у нас это никак не получится, законы сохранения нам не позволят.



Судя по орбитам всех открытых на сегодняшний день седноидов — они сосредоточены в достаточно узком телесном угле. Пока речь шла о первом открытии, малой планете Седна, её уникально-вытянутую орбиту можно было объяснить каким-нибудь досадным происшествием на окраине молодой Солнечной системе, например, близким проходом какой-нибудь соседней звезды, которая и выкинула Седну с круговой орбиты в начальном поясе Койпера на такую специфическую вытянутую орбиту.

Но на сегодняшний день семейство седноидов (объектов, похожих на Седну орбитой и местоположением в системе) уже расширилось. В него включают кроме Седны  уже объект 2012 VP₁₁₃ , который тоже имеет перигелий, никак не попадающий в зону внутренних планет-гигантов и, как следствие, никогда не встречавшийся с ними в последнее время:


Орбиты седноидов и объектов рассеянного диска (сиреневым). Орбита Нептуна показана белым. Орбита возможной планеты Х — жёлтым.

В своей гипотезе Батыгин и Браун использовали и орбиты нескольких транснептуновых объектов, которые тоже имеют похожие на седноиды орбиты: 2012 GB₁₇₄, 2013 RF₉₈, 2004 VN₁₁₂ и 2007 TG₄₂₂. Орбиты этих объектов ещё можно объяснить влиянием Нептуна, но вот концентрацию их в том же телесном угле, что и у седноидов объяснить только влиянием Нептуна уже гораздо труднее.
Кажется, что в данной картинке положительно не хватает ещё одного «шарика», который и улетел в противоположную сторону — гипотетической девятой планеты или «планеты Х». При этом надо понимать, что «шарик» этот должен быть достаточно увесистым — как посчитали Батыгин и Браун, чтобы расчистить себе орбиту и так раскидать седноиды и похожие по орбитам с ними объекты, планета Х должна была бы быть минимум размером с Землю, а то и побольше.

В любом случае, если вы обратите внимание на последнюю иллюстрацию, то увидите, что практически все указанные на ней седноиды и объекты рассеянного диска сейчас наблюдаются очень близко от Солнца. То есть — мы наблюдаем не то, что фактически есть на периферии нашей Солнечной системы, а лишь малую долю того, что могут засечь наши телескопы, то, что прилетело под наш слабенький и тусклый фонарь.

А реальность — гораздо больше и многограннее. Где-то там вполне может прятаться и ещё одна планета, которая спасла всех нас от горячего юпитера в начале наших времён.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив