В греческой и римской мифологии Юпитер — это царь богов, верховное божество, которое уничтожило более старое поколение титанов, став завистливым и мстительным властителем небес и земли.
Это странно, но научная теория подтверждает сей исторический вымысел. Будучи самым крупным и самым тяжелым небесным телом, обращающимся вокруг Солнца, тезка древнего божества является властелином планет и господствующей силой в нашей солнечной системе. Много миллиардов лет тому назад, когда ошметки от формировавшихся планет летели за пределы солнечной системы, Юпитер мог швырять их обратно в направлении нашего находившегося в зачаточном состоянии земного шара. Вместе с ними на Землю пришла вода, которая сегодня заполняет наши океаны. Юпитер по-прежнему пасет стада астероидов, время от времени отправляя некоторые из них в межзвездное пространство, либо же разрушительным курсом на столкновение с Землей и другими планетами. Юпитер мог быть причастен к исчезновению динозавров около 66 миллионов лет тому назад из-за падения астероида, которое положило начало господству их млекопитающих потомков. Без Юпитера люди могли и не появиться.
А вот данные нового исследования говорят о том, что без Юпитера могла не появиться и сама планета Земля. Там, где сейчас по своим орбитам движутся наша и прочие твердые планеты, сначала могли существовать миры более раннего поколения, которые должны были превратиться в крупные и абсолютно непригодные для жизни небесные тела в газовой оболочке. Но тут на сцену вышел Юпитер и расчистил путь для возникновения небольших планет типа Земли, уничтожив эти более старые планеты. Научная статья на эту тему появилась в номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences от 23 марта. Ее авторами стали планетолог Константин Батыгин (Konstantin Batygin) из Калифорнийского технологического института и астрофизик Грег Лафлин (Greg Laughlin), работающий в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Дыра в солнечной системе
Есть сотни причин подозревать, что в нашей солнечной системе раньше были более многочисленные и крупные внутренние планеты. Так, при помощи телескопа НАСА «Кеплер» и в рамках других проектов поиска планет удалось открыть сотни многопланетных систем. Хотя наша солнечная система от Меркурия до Солнца по сути дела пуста, аналогичные пространства вокруг большинства других звезд буквально напичканы планетами средней массы (то есть, размером от Земли до Нептуна). Полные надежд астрономы назвали эти миры «супер-Землями», хотя большинство из них кажутся совершенно неземными, и больше похожи на богатые водородом мини-Нептуны в газовой оболочке. «Теперь, когда мы можем взглянуть на нашу солнечную систему в сопоставлении со многими другими планетными системами, — говорит Лафлин, — стандартная планетная система в нашей галактике выглядит как набор огромных землеподобных планет с опасно короткими периодами обращения по орбите. Наша солнечная система все больше похожа на какую-то аномалию».
Если так, то возникает вполне естественный вопрос: как она стала такой? По мнению Батыгина, нет оснований полагать, что процесс формирования планет вокруг нашего Солнца проходил с большими отличиями от других систем. Скорее, непохожесть нашей солнечной системы на другие можно объяснить особенностями последующей эволюции, которой в значительной степени управлял Юпитер.
Мигрирующие миры
Раньше астрономы считали, что планетные системы довольно статичны и стабильны. Планеты должны образовываться из газопылевых завихрений вокруг молодых звезд, примерно так же, как из земли вырастают деревья, которые сначала пускают корни и едва выглядывают из родившей их почвы. В полосе интенсивного света и жары вблизи звезд формируются маленькие скалистые планеты, а газовые гиганты образуются намного дальше, где благодаря низким температурам больше газообразного строительного материала. Все планеты, маленькие и большие, твердые и газообразные, обращаются вокруг своих звезд по безупречным, почти круглым орбитам. Все это вполне укладывается в рамки представлений о нашей собственной солнечной системе. Но мы можем очень сильно ошибаться по поводу того, что является нормой.
Двадцать лет назад, когда астрономы открыли первые планеты, обращающиеся вокруг других звезд, они начали понимать, что планетные системы штука хаотичная. Некоторые планеты движутся не по круглой, а по вытянутой эксцентрической орбите, которая сначала приближает, а потом удаляет их от своих звезд — как будто на них воздействует некая сила гравитационного влияния других миров. Большинство новых гигантских планет, открытых в последние годы, очень сильно отличаются от Юпитера, поскольку движутся они по близким к своим звездам орбитам, где очень высокие температуры. Орбиты эти намного ближе к их звездам, чем те удаленные и холодные регионы, где данные гиганты, скорее всего, формировались. Планеты могут также мигрировать в силу едва уловимого взаимодействия со звездами и близкого схождения со своими собратьями по планетной системе.
С тех пор как были сделаны эти открытия, ученые разрабатывают концепцию миграции планет, чтобы лучше понять свойства не только других планетных систем, но и нашей собственной. Один из примеров это сценарий «большой смены курса», согласно которому в первые несколько миллионов лет существования нашей солнечной системы Юпитер мигрировал, сначала зайдя в ее внутреннюю часть, а затем снова удалившись — как будто парусник, стоящий на бочке. В то время Юпитер должен был уже находиться в окружении газообразного диска. Значительная часть этого газа устремлялась к Солнцу, и это усилие было таково, что оно ослабляло вращательный момент Юпитера, заставляя и саму гигантскую планету приближаться к Солнцу, где она обращалась по орбите примерно там, где сегодня находится Марс. Юпитер продолжил бы свое центростремительное движение к Солнцу, если бы его не остановил Нептун, который сформировался позднее и тоже начал смещаться в центр. Когда два гиганта сблизились, они вошли в орбитальный резонанс. Из-за этого резонанса весь существовавший между ними газ ушел, планеты постепенно остановили свою спираль смерти и начали отдаляться от Солнца, возвращаясь во внешнюю область солнечной системы.
Это может показаться странным, однако лежащие в основе гипотезы «большой смены курса» физические механизмы вполне логичны, и есть основания полагать, что именно так все и было. В рамках этого сценария можно четко объяснить, почему Марс такого аномально маленького размера — ведь по мнению теоретиков, он должен быть больше с учетом того, сколько материала для формирования планет находилось в то время вдоль его орбиты. Согласно концепции «большой смены курса», большую часть этого материала должен был вытолкнуть Юпитер, оставив лишь то, из чего сформировался Марс. Эта гипотеза также помогает объяснить распределение льда и космических глыб в поясе астероидов и многие другие особенности солнечной системы.
Мощная атака
В своем исследовании Батыгин и Лафлин постарались выяснить, нельзя ли концепцией «большой смены курса» Юпитера объяснить наличие зияющей дыры в самом сердце нашей солнечной системы. Используя методику числового моделирования, этот дуэт постарался понять, что «большая смена курса» могла сделать с гипотетическими эмбрионами супер-Земель на среднем этапе их формирования. Моделирование показало, что в ходе центростремительного спирального движения Юпитера во внутреннюю область солнечной системы каскадом обрушивались строительные кирпичи для создания Земли шириной 100 километров. Сила притяжения этого гиганта выводила эти строительные кирпичи и внутренние планеты на накладывающиеся эллиптические орбиты, в результате чего возникло межпланетное столкновение попавших в водоворот и раскалывающихся миров. «По той же причине нас беспокоит уничтожение спутников на околоземной орбите. Их фрагменты могут повредить другие спутники и вызвать цепную реакцию дальнейших столкновений, — говорит Лафлин. — Мы в своей работе указываем на то, что Юпитер вполне мог вызвать такую реакцию столкновений во внутренней области солнечной системы».
Эти столкновения должны были быть чрезвычайно мощными, но сами по себе они не могли разрушить формировавшиеся супер-Земли. Вместо этого лавина осколков от таких столкновений должна была создать сильные аэродинамические встречные потоки в диске солнечной системы. Формирующиеся в результате этого спиралевидные завихрения газов затем подтолкнули внутренние скалистые планеты первого поколения к Солнцу. «Это очень эффективный физический процесс, — говорит Батыгин. — Достаточно материала, соответствующего нескольким земным массам, чтобы подтолкнуть к Солнцу массу, которой хватит на несколько планет земного размера».
Если не считать наблюдений за другими планетными системами, доказывающих необычность нашей системы, то у нас почти нет данных, указывающих на то, что наше Солнце сначала сформировало, а потом потеряло внутренние миры раннего поколения. Однако Лафлин считает эту идею неотразимой в силу ее технической обоснованности и привлекательности. «Такого рода теории о том, где это случилось в первый раз, а где потом, они почти всегда ошибочны, а поэтому вначале я испытывал недоверие и скепсис, — говорит он. — Но на самом деле, здесь присутствуют вполне заурядные процессы, которые подробно и досконально изучены другими исследователями.... „Большая смена курса“ Юпитера вполне могла быть мощной атакой на изначальную внутреннюю солнечную систему».
Одинокая планета
После большой атаки Юпитера должны были остаться лишь небольшие струи летучего газа, однако Батыгин отмечает, что для формирования Меркурия, Венеры, Земли и Марса могло хватить и 10 процентов от общего объема материи, вброшенной Юпитером во внутреннюю солнечную систему. Когда Юпитер сменил курс и двинулся в обратном направлении во внешнюю часть солнечной системы, часть остатков материи могла начать движение по более круговой орбите. На протяжении от 100 до 200 миллионов лет эти разрозненные остатки могли сконцентрироваться и сформировать довольно маленькие и пустынные внутренние планеты, которые нам известны сегодня. Все это совпадает с массивом других данных и доказательств, указывающих на то, что внутренние твердые планеты образовались гораздо позднее внешних гигантов. Этим объясняется и то, почему миры внутренней части солнечной системы меньше, и имеют более тонкую атмосферу, чем те, которые мы наблюдаем вблизи других звезд.
В результате возникает следующая картина. Вполне может оказаться, что мы намного более одиноки в космосе, чем нам казалось прежде. «Один из прогнозов нашей теории состоит в том, что похожие на Землю планеты, имеющие твердую поверхность и умеренное атмосферное давление, встречаются редко», — говорит Лафлин.
Если это так, то исследование Батыгина и Лафлина означает следующее. Подавляющее большинство потенциально твердых и пригодных для жизни планет, которые обращаются вокруг других звезд, могут оказаться не такими уж твердыми и пригодными для жизни. При посещении этих планет нас может раздавить, поджарить и задушить их плотная атмосфера с высоким содержанием водорода. Это исследование также показывает, что далекие планеты типа Юпитера нечасто можно найти на орбите вокруг других звезд. Вместо того, чтобы лишь ненадолго посетить внутренние системы, большинство гигантских планет остается там, и тем самым мешает формированию миров, похожих на Землю.
В свете этой теории мы скорее должны благодарить Сатурн за наше появление, потому что эта окольцованная планета могла удержать Юпитер от приближения к Солнцу. И здесь мы возвращаемся к мифологии, в которой Сатурн был отцом Юпитера, а также богом, отвечавшим за земные богатства, удовольствия и изобилие. В следующий раз, когда вы — не раздавленный и не поджаренный — устремите взор в небо, где нет водорода, не благодарите свою счастливую звезду, а благодарите Юпитер и Сатурн.
