Потерянный ледяной гигант объясняет идеальный баланс Солнечной системы

Группа исследователей, опубликовавших статью в журнале Icarus, обнаружила, что ранняя Солнечная система могла содержать третий ледяной гигант помимо Урана и Нептуна. С помощью компьютерного моделирования 122 возможных сценариев нестабильности орбит планет-гигантов авторы выяснили, что гравитационные возмущения от тесных сближений почти наверняка разрушали спутниковые системы Юпитера и Урана. Вероятность их выживания составила менее 15 процентов, и только один из рассмотренных сценариев позволил обеим системам сохраниться одновременно.

Солнечная система не всегда была такой упорядоченной, как сегодня. Вскоре после формирования планет, между 4 и 4,5 миллиардами лет назад, внешние области пережили эпоху настоящего хаоса. Этот период называют нестабильностью модели Ниццы. В то время Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун двигались по совершенно иным орбитам, которые резко менялись под действием взаимного притяжения. Гигантские планеты сближались на ничтожные по космическим меркам расстояния, и их гравитация буквально сотрясала всю систему. В конце концов эти бурные перестановки привели к современной конфигурации орбит, но ученые давно задавались вопросом: как тогда смогли выжить обычные спутники планет?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проанализировали 122 компьютерные модели, отобранные из тысяч вариантов. Отбор был строгим: только те сценарии, которые в итоге воспроизводили ключевые черты современной внешней Солнечной системы. В моделях учитывались сложные гравитационные взаимодействия между планетами, лунами, Солнцем и пролетающими мимо малыми телами.

Ученые тестировали разные версии прошлого: с пятью или с шестью планетами-гигантами. Текущая версия модели Ниццы как раз допускает существование одного или даже двух дополнительных ледяных гигантов, которые позже были навсегда выброшены из Солнечной системы.

Результаты оказались поразительными. Шансы на то, что спутниковые системы Юпитера и Урана переживут этот хаос невредимыми, не превышают 15 процентов. Более того, только в одном единственном случае из всех 122 моделей и Юпитер, и Уран сохранили свои крупные спутники одновременно.

Когда другая планета подходила к Урану слишком близко — на расстояние менее 0,02 астрономической единицы для ледяного гиганта или менее 0,1 а.е. для газового, разрушение спутниковой системы становилось практически неизбежным. Спутники не улетали в открытый космос, а сталкивались друг с другом на огромных скоростях, превращаясь в поле ледяных обломков. Со временем эти обломки снова слипались, образуя новые луны.

Именно так, по мнению авторов, могла появиться Миранда, один из самых странных спутников Урана с хаотичной поверхностью. Но самое интересное, что моделирование указывает на два отдельных эпизода катастроф в истории спутников Урана. Первый связан с древним ударом, который наклонил саму планету на бок. Второй с общей нестабильностью гигантских планет. Спутники Урана, вероятно, подвергались возмущениям, приводящим к столкновениям, как минимум дважды.

Интересно, что условия выживания для Юпитера и Урана различались. Спутники Юпитера лучше сохранялись в сценариях, где изначально было два небольших дополнительных ледяных гиганта. А вот для системы Урана более благоприятным оказывался вариант с одним, но более крупным лишним гигантом. Однако общее правило остается жестким: любое тесное сближение с другой планетой-гигантом практически гарантирует гибель спутниковой системы. Даже относительно далекие пролеты могут нанести урон, особенно если они следуют одно за другим.

Авторы подчеркивают, что моделирование не может охватить всех деталей. Чтобы окончательно понять судьбу каждой отдельной луны, потребуются дополнительные исследования. Тем не менее, один вывод уже можно считать твердым. Сегодняшнее существование Лапласова резонанса у спутников Юпитера (Ио, Европы и Ганимеда) говорит о том, что их система не переживала разрушительных столкновений во время нестабильности. А вот спутники Урана, судя по всему, были разрушены и собраны заново не один раз.

Таким образом, новое исследование показывает, что дополнительный третий ледяной гигант в ранней Солнечной системе мог вызвать катастрофические столкновения среди спутников Урана и, вероятно, Юпитера. Спутники Урана были разрушены по меньшей мере дважды: сначала ударом, наклонившим саму планету, а затем планетарной нестабильностью. Лишь единственный сценарий из сотен позволил спутниковым системам обеих планет выжить, что делает современное устройство Солнечной системы скорее редким исключением, чем правилом.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях