Детективи орбіт вийшли на слід давно втраченої Сонцем планети

Наша Сонячна система — це місце злочину віком 4,6 мільярда років. Изрытые кратерами поверхні, зміщені орбіти планет і потоки міжпланетного сміття — це космічні еквіваленти плям крові, расплескавшейся на стіні, і слідів шин удирающей з вереском машини. Ці та інші докази розповідають про хаотичному початку існування нашої планетарної родини. В цих вуликах поховані і наші втрачені брати: в тому числі і дев'ята планета (ні, не Плутон), яку вибило гравітаційної струсом, яку зазнала наша Сонячна система в юності.

Сьогодні зовнішню Сонячну систему розділили між собою чотири гігантських світу: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. За ними лежить пояс Койпера, поле крижаних уламків, в який затесався і Плутон.

«Не треба плекати ілюзій, вважаючи, що зовнішня частина Сонячної системи завжди була такою», говорить Девід Несворны, планетолог Південно-Західного науково-дослідного інституту в Боулдері, штат Колорадо, який першим заговорив про планеті-втікача в 2011 році.

Де знаходиться дев'ята планета?

Несворны — один з тих вчених, які намагаються з'ясувати, як Сонячна система розвивалася в свої перші кілька сотень мільйонів років. Використовуючи складні комп'ютерні моделі, вчені прийшли до історії, в якій юні планети сформувалися щодо тісно і потім обмінювалися положеннями, періодично поднирівая і перескакуючи з однієї орбіти на іншу. Ці моделювання пояснюють безліч невеликих подробиць про те, як планети, астероїди і комети, що обертаються навколо сонця сьогодні.

Тільки от є одна проблема. Історія зазвичай закінчувалася тим, що Уран або Нептун вибивалися з Сонячної системи, писав Несворны у вересні в Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

Оскільки Уран і Нептун залишилися на своїх місцях — космічний апарат, зрештою, відвідав обидві планети — цей наратив не дуже доладний. Але п'ята гігантська планета, як вважають багато хто, може бути відсутнім героєм цієї казки і важливим гравцем історії нашої Сонячної системи.

Фантомна планета

Щоб відтворити сцени давнину, астрономи звертаються до комп'ютерних моделей для генерації тисяч різних сонячних систем, зібраних тисячами різних способів. У рядках коду вони викладають закони фізики і стартову лінійку будь-якого розташування планет, яке тільки можна уявити. Вчені ставлять сцену: планета тут, кілька астероїдів тут — потім відходять і дають природі зробити свою справу. Через кілька тижнів в реальному світі — мільйони років в симуляції — астрономи нарешті вирішуються зазирнути і подивитися, як почувається новонароджена сонячна система. Чим ближче до реальності, тим краще.

Саме цим Несворны займався в 2009 році. Він грав з віртуальними сонячними системами, намагаючись знайти кращий спосіб врятувати віртуальний Уран і віртуальний Нептун від одностороннього турне у віртуальний глибокий космос.

Проблемою був Юпітер. Ця гігантська планета — громила, гравітація якого може досягати далеких меж і розширюватися, розштовхуючи невеликі світи і стягуючи уламки. У найуспішніших моделях Юпітер і одна з двох зовнішніх планет рикошетом відскакували один від одного і, нарешті, осідали на своїх нинішніх орбітах. Але це відбувалося лише в 1% випадків. В інших 99% випадків Юпітер вибивав Уран або Нептун так сильно, що вони залишали Сонячну систему і ніколи більше не поверталися.

«Все це дивно, тому що ми знаємо, що Уран і Нептун вижили», говорить Несворны. Тому він продовжував вибудовувати нові системи. Після року незліченних спроб різних сценаріїв, він почав додавати жертовні планети: інші планети, які були знищені, щоб врятувати інших.

«Я б запустив ці симуляції, щоб побачити, що станеться, не сприймаючи їх надто серйозно», говорить Несворны. «Але потім зрозумів, що у них може бути якась правда». Він провів приблизно 10 000 симуляцій, змінюючи кількість додаткових планет, їх початкових розташування та мас в кожному випадку окремо.

Самий кращий сценарій — який відтворював Сонячну систему, найбільш схожу на реальну — включав додаткову планету, яка знаходилася між оригінальними орбітами Сатурна і Урана. Цей світ був приблизно такий же масивний, як Уран і Нептун, або у 16 разів масивніше Землі. Саме ця планета могла заплутатися з орбітою Юпітера і бути викинута з Сонячної системи.

Але шанси все ще невеликі. Повторні симуляції такої установки вдавалися лише в 5% випадків. «Нинішня Сонячна система не є типовим, ні очікуваним результатом», писав Несворны в роботі 2012 року, вивчаючи цю ідею, у співавторстві з колегами Алессандро Морбіделлі з Обсерваторії Лазурного берега Франції. Але це було значне покращення в порівнянні з 1% рівнем успіху моделювань, які включали тільки чотири гігантські планети, які ми знаємо і любимо сьогодні.

«Говорити про існування п'ятої гігантської планети насправді набагато простіше, ніж не говорити», говорить Шон Раймонд, планетолог Університету Бордо у Франції. Хоча докази в значній мірі непрямі, «мати ще одну таку в ті часи було б набагато більше сенсу».

Може здатися, що це притягнуто за вуха. Як астрономи можуть взагалі щось знати про події більше 4 мільярдів років тому? Як вони можуть знати щось про планети, які залишилися на поточний момент, не кажучи вже про тих, які більше немає? Виявляється, планети залишають після себе бойові шрами, якіпланетарні детективи можуть спробувати прочитати.

Міжпланетні плями крові

«Ми точно впевнені в тому, що планети сформувалися не там, де вони знаходяться зараз», говорить Натан Каиб, планетолог Університету Оклахоми Норманів.

Ця впевненість з'явилася не так давно. Протягом більшої частини історії зоряні спостерігачі припускали, що планети завжди рухалися тим орбітах, які мають. Але на початку 1990-х років вчені усвідомили, що у цьому сценарії щось упущено.

Відразу за орбітою Нептуна лежить пояс Койпера, розсип крижаних уламків, що оточують Сонце. «Це плями крові на стіні», говорить Костянтин Батигін, планетолог Каліфорнійського технологічного інституту.

Розташування об'єктів поясу Койпера привело вчених до неминучого висновку: Нептун повинен був сформуватися ближче до Сонці, ніж зараз. Багато з об'єктів поясу Койпера збиті разом на концентричних орбітах, смутно нагадують борозни на платівках. І це не якісь випадкові орбіти — вони всі тісно прив'язані до орбіти Нептуна.

Візьмемо Плутон, самого відомого жителя поясу Койпера. Він і кілька сотень його відомих компаньйонів обходять Сонце рівно два рази за кожні три обходу, здійснюваних Нептуном. Інші потоки об'єктів Койпера обходять один раз на кожні два обороту Нептуна, або по чотири рази на кожні сім.

Пояс Койпера ніяким чином не міг опинитися в такому русі самостійно. Якщо, проте, Нептун сформувався ближче до Сонця, а потім вийшов назовні, його гравітація повинна була спрацювати як мережа, захопивши довколишні міжпланетні уламки на цих спеціальних орбітах і запустивши їх рухатися певним чином.

Це відповідає деяким моделированиям, які проводилися десять років тому. Формування планет було страшним кровопролиттям, в результаті якого по всій Сонячній системі виявився розкидане сміття. Будь-які фрагменти, які підходили надто близько до Нептуну, повинні були притянуться гравітацією планети. Оскільки у кожної дії є рівна і протилежна реакція, кожен раз, коли Нептун притягував фрагмент, планета відштовхувалася в протилежному руху фрагмента напрямку. З часом Нептун повільно уповз від Сонця.

Міграція Нептуна вплинула і на інші гігантські планети. Зрештою, Юпітер, Сатурн і Уран орали таке ж поле уламків і мали справу з подібними гравитациоными взаємодіями. Якби Нептун рухався, всі ці гігантські планети рухалися.

І це була б явно не поїздка з вітерцем.

Безперервне подрібнення всіх цих уламків повинно було виліпити орбіти планет-гігантів в ідеальні вирівняні кола, подібно до того, як глина на гончарному крузі згладжується міцною рукою гончара. Але атк не сталося. Планети гігантів замість цього рухаються на орбітах, які злегка витягнуті й спотворені. Ніби хтось врізався в коло, зіпсувавши округлі горщики.

Скаче Юпітер

У 2005 році вчені знайшли винуватця. Нові моделі показали, що в певний момент гігантські планети повинні були зазнати так звану динамічну нестабільність». Іншими словами, все перевернулося догори дригом на мільйон років. Найбільш вірогідним джерелом цієї катавасії повинна була бути серія близьких проходів між Сатурном і Ураном, або Нептуном — тобто, крижаними гігантами — що відправила один з цих світів у напрямку Юпітера. По мірі наближення до гігантської планеті, крижаний гігант гравітаційно впливав на Юпітер, сповільнюючи його і зіштовхуючи на низьку орбіту. Але і Юпітер так само сильно тягнув наближається планету. Крижаний велетень, будучи набагато легше, розганявся по мірі уповільнення Юпітера, віддаляючись від Сонця.

Ця сварка була для Сонячної системи гравітаційним міксером. Юпітер стрибнув всередину, а решта зовнішні планети вискочили назовні. Цей удар спотворив орбіти гігантських планет і зробив їх такими, якими вони є зараз. Він також врятував внутрішню Сонячну систему — Меркурій, Венеру, Землю, Марс і пояс астероїдів — від перемішування за рахунок тривалого гравітаційного впливу Юпітера і Сатурна. Така проблема виникала в більш ранніх симуляції.

Це підводить нас до видалення Урана чи Нептуна. Саме в цей момент в симуляції Юпітер найчастіше викидає крижаного гіганта з галактики.

Це дилема, яку намагався вирішити Несворны, не порушуючи все інше в симуляції, що дійсно працювало. Додатковий крижаний гігант взяв би на себе основну частину напору Юпітера, дозволивши іншим подіям наративу розгортатися поступово і безперешкодно.

«Це цілком правдоподібно», говорить Батигін. «Якщо ви запитаєте, чи є яка-небудь причина того, чому у нас має бути два, а не три льодових гіганта, відповіддю буде: "звичайно, ні». Фактично, за його словами, деякі обчислення показують, що спочатку було створено не більше п'яти нептуноподобных світів.

Батигін і його колеги вивчали це питання одночасно з Несворным, хоча їхні мотиви були різними. «Я хотів продемонструвати, що ніякої додаткової гігантської планети бути не може», говорить він.

Він розсудив, що ця ймовірна планета, рухаючись з Сонячної системи, розбила б ту частину пояса Койпера, відому як класичний холодний пояс. Якби пояс Койпера був пончиком, каже Батигін, класичний холодний пояс був би шоколадної його начинкою — це сімейство об'єктів, орбіти яких лежать практично на одній площині в поясі Койпера. Проходить планета обурила б ціорбіти, вважають Батигін і його колеги.

Їх комп'ютерне моделювання показало, що цього не відбувалося. Більш того, на їхній подив, викинута планета не знищила б класичний холодний пояс. Це не доводить існування планети — лише говорить про те, що Сонячна планета " працює так, як працює, незалежно від того, була вона там чи ні. Чи може ця планета залишити більш значущу сигнатуру? Або, повертаючись до аналогії з місцем злочину, які-небудь сліди шин? Несворны вважає, що могла б.

Слід взято

Є ще одна частина поясу Койпера, що називається ядром, вузький потік крижаних фрагментів, орбіти яких в даний час не синхронізовані з нептуновой. Походження ядра — в деякому сенсі загадка. У 2015 році Несворны заявив, що в цьому може бути замішаний стрибок у зовнішній міграції Нептуна — викликаної викидом планети.

Коли Нептун відправився на свою остаточну орбіту і змахнув уламки з орбіт, синхронізованих з його власної, «удар» в потрібний час міг би запустити частина цих уламків немов незалежний потік, «ядро». Моделювання показують, що гравітаційний поштовх, який змусив Юпітер стрибнути і виштовхнути зайву планету, міг статися саме в потрібний час, щоб змістити Нептун.

Правда в тому, що ми можемо ніколи не дізнатися напевне, що відбувалося в роки формування Сонячної системи. «Ми не можемо написати Біблію Сонячної системи», говорить Батигін. «Тільки смутно накидати її історію».

Якщо Сонячна система дійсно викинула одного з своїх, він у хорошій компанії. За останні роки астрономи виявили кілька блукаючих планет, які також були викинуті зі своїх будинків. Більш того, розрахунки показують, що в галактиці більше плаваючих планет типу Юпітера, ніж зірок.

Це мільярди біженців. Наш утікач, ймовірно, був розміром з Нептун, і ми не знаємо, скільки йому подібних бродить по галактиці. Але знаємо, що Всесвіт повний дрібних речей, і їх більше, ніж великих.

Як думаєте, чи знайдемо ми вигнанця? Розкажіть в нашому