_ Сотрудник кафедры космических исследований Юго-Западного научно-исследовательского института (США) Дэвид Несворны ( David Nesvorny ) попытался смоделировать эволюцию Солнечной системы и выяснил, что добавление пятой планеты-гиганта существенно упрощает эту задачу.

В недавних теоретических расчётах, на результаты которых ориентировался г-н Несворны, было установлено, что гигантские планеты, взаимодействуя с протопланетным газовым диском на начальном этапе своего развития, обычно приходят к компактной расстановке, а соседние гиганты оказываются в орбитальном резонансе. После ухода газа система может стать динамически неустойчивой, планеты активно взаимодействуют друг с другом (наблюдается так называемое гравитационное рассеяние), и их расположение меняется. Эта схема эволюции даёт логичное объяснение экспериментальным данным — скажем, тому, что астрономам довольно часто встречаются экзопланеты на орбитах с большим эксцентриситетом и системы экзопланет, которые находятся в резонансе.

Когда-то Юпитер "проглотил" планету, в ~10 раз тяжелее нашей Земли.

Юпитер примерно в три раза тяжелее Сатурна. Но ядро Сатурна в 2 с лишним раза
тяжелее ядра Юпитера. Так, у Сатурна ядро весит, как 15-25 Земель, а у Юпитера -
только около ~5-10.

Солнечная система с её четырьмя планетами-гигантами, расположенными на большом расстоянии друг от друга на орбитах, близких к круговым, отличается от типичной экзопланетной; тем не менее она тоже должна была пройти описанные выше стадии развития. По мнению большинства теоретиков, Сатурн и Юпитер, к примеру, сначала находились в резонансе вида 3:2, то есть соотношение их орбитальных периодов было равно 1,5 ( сейчас оно составляет 2,49 ). После завершения «резонансного» периода гиганты вступили в фазу рассеяния и перешли на вытянутые орбиты, а затем система стабилизировалась за счёт передачи избыточной энергии транспланетному диску, остатки которого сохранились до наших дней в поясе Койпера.
Завершилось всё постепенной миграцией планет к их нынешним орбитам.

Г-н Несворны смоделировал эту цепочку событий, пробуя разные варианты начальных резонансов для четырёх известных гигантских планет с массами, соответствующими массам Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, или пяти гигантов, масса последнего из которых выбиралась из диапазона 3•10²⁵–3•10²⁶ кг
( 0,333–3 массы Нептуна ). В модельном транспланетном диске планетезималей находилась 1 000 одинаковых тел на орбитах с малыми эксцентриситетом и наклонением, причём внешняя его граница всегда устанавливалась на отметке в 30 а. е., а внутренняя могла смещаться. Общая масса диска составляла 10, 20, 35, 50, 75 или 100 земных.

_ Приступая к оценке результатов моделирования, ученый сформулировал несколько простых требований к проэволюционировавшим системам. Во-первых, итоговая система, разумеется, должна была содержать ровно четыре планеты-гиганта. Во-вторых, их орбиты должны были напоминать реальные — не отходить более чем на 20% от нынешней величины большой полуоси и не приобретать эксцентриситет и наклонение, превышающие 0,11 и 2° ( такие величины получены простым удвоением эксцентриситета орбиты Сатурна и наклонения Урана). В-третьих, соотношение орбитальных периодов Сатурна и Юпитера должно было менее чем за 1 млн лет изменяться от величины, уступающей 2,1, до значения, превосходящего 2,3. Это условие накладывает некоторые ограничения на сближения и взаимодействия планет.

Результаты расчётов для пяти планет, изначально находящихся в резонансе вида ( 3:2, 3:2, 4:3, 5:4 ).
Точки соответствуют разным удачным вариантам моделирования — таким, которые дают систему
из четырёх планет. Треугольниками обозначены реальные параметры орбиты Юпитера ( красный),
Сатурна ( зелёный), Урана ( голубой) и Нептуна. ( Иллюстрация Astrophysical Journal Letters. )

_ При обработке данных г-н Несворны обнаружил, что вычисления для четырёх планет редко дают удовлетворительные результаты. Примером может служить вариант с начальными резонансами вида (3:2, 3:2, 4:3): лучше всего здесь подходит масса диска планетезималей в 30 и 50 земных, но доля систем, удовлетворяющих первому из указанных выше критериев, всё равно не поднимается выше 10 и 13 процентов. Выполнить второе условие ещё сложнее; расчёты для двух упомянутых значений массы диска проводились 120 раз, и только в трёх случаях планеты оказались на подходящих орбитах.

Хуже всего модель четырёх планет проявляет себя при тестировании по третьему критерию: условие выполнялось лишь в ~1% всех просчитанных вариантов.

По утверждению автора, добавление пятой планеты меняет ситуацию к лучшему. Если планетам задать резонансы ( 3:2, 3:2, 4:3, 5:4 ), массу диска планетезималей приравнять к 50 земным, а массу пятого гиганта сделать эквивалентной массе Урана, то доля систем, удовлетворяющих первому и второму требованиям, составит 37% и 23%. При этом третье условие отбраковывает всего 50% случаев, прошедших отбор по первому и второму критериям.

Остаётся добавить, что «лишний» пятый гигант уходил в межзвёздное пространство при взаимодействии с Юпитером. Вероятно, планеты действительно часто изгоняются из родных систем, а найденная недавно группа «одиноких» экзопланет — это естественный продукт эволюции.

ccылки:
- science.compulenta.ru/636273
- iopscience.iop.org/2041-8205

- arxiv.org/pdf/1109.2949v1
- newscientist.com/article/dn-missing-planet-explains-solar-systems-structure.htm

по теме:
- Юпитер и Нептун объявлены пожирателями сверхземель
- Газовый гигант Тюхе - девятая планета солнечной системы?
- Юпитер и Сатурн наполнены жидким металлом