Великое путешествие Юпитера: как планета-гигант заняла свое место в Солнечной системе

Юпитер оказал огромное влияние на облик солнечной системы: в прошлом эта планета не раз меняла орбиту и то приближаясь, то удаляясь от солнца, помогла образоваться поясу астероидов и фактически сформировала Марс таким, каким мы видим его сейчас

На настоящий момент, астрономы с Земли нашли уже немалое количество экзопланет и планетных систем из них состоящих, на первый взгляд очень похожих на привычную нам Солнечную систему. Однако даже при всем сходстве, не может не бросаться в глаза и странное различие Если в удаленных от нас экзопланетных системах ближе к звезде находятся газообразные планеты-гиганты, а каменистые миры по типу Марса или Венеры наоборот – “отодвинуты” от звезды на дальние орбиты, то в Солнечной системе все строго наоборот – каменистые планеты находятся ближе к Солнцу, а планеты-гиганты дальше.

Большая часть экзопланетных систем выглядит примерно как TRAPPIST-1 на рисунке – т.е. ближе к звезды находятся большие планеты, в то время как наша Солнечная система демонстрирует совсем другой порядок

«Большой галс» Юпитера по солнечной системе

На первый взгляд такая разница вызывает удивление, однако, судя по всему, в далеком прошлом наша Солнечная система заметно отличалась от своего нынешнего состояния, и “царь планет” Юпитер располагался к Солнцу намного ближе, чем в наше время.

В наши дни, Юпитер – пятая планета Солнечной системы, расположенная на удалении 778,57 миллионов километров от Солнца. Но на заре формирования планетной системы, он приближался к Солнцу примерно до 250 миллионов километров, т.е. почти до того места, где сейчас находится Марс.

Разумеется, “путешествия” такого гиганта оказали большое влияние на формирование Солнечной системы, изменив природу пояса астероидов и сделав Марс меньше, чем он мог бы быть. Эти данные следуют из новой модели, разработанной командой ученых, костяк которой составляют сотрудники Центра космических полетов имени Годдарда (Goddard Space Flight Center) НАСА.

«Мы называем путь Юпитера Большим Галсом, поскольку его движение являлось медленным приближением к Солнцу, затем остановкой, разворотом и обратным движением, – говорит первый автор публикации Кевин Уэлш. – Это изменение направления похоже на маневр парусника, огибающего буй».

Согласно новой модели, Юпитер образовался в районе, который находится от Солнца примерно в 3,5 раза дальше, чем нынешняя Земля. Поскольку большое количество газа все еще вращалось вокруг Солнца, гигантская планета попала в огромный вихревой поток и начала притягиваться им к Солнцу. Юпитер медленно приближался к Солнцу по спирали до тех пор, пока не остановился на расстоянии около 1,5 а.е. (нынешняя орбита Марса, но самого Марса ещё там не было).

«Мы предполагаем, что Юпитер прекратил свой дрейф к Солнцу из-за Сатурна», – говорит Ави Менделл, соавтор работы.

Как и Юпитер, другой космический гигант – Сатурн попал в аналогичный поток вскоре после своего образования. Согласно модели, как только два газовых гиганта сблизились, их судьбы переплелись навеки, они стали как бы взаимно тормозить движение друг друга в газовом потоке. Постепенно весь газ, заполнявший пространство между двумя планетами исчез, что привело к остановке спирального снижения к Солнцу и, в конце концов, к обратному движению.

Обе планеты удалялись от Солнца вместе до того момента, когда Юпитер занял свое место на удалении примерно в 5.2 а.е. от Солнца, а Сатурн – примерно на расстоянии 7 а.е. На свое текущее положение (около 9.5 а.е.) Сатурн переместился позже из-за других факторов.

Юпитер – пятая по счету, но первая по массе и размерам планета Солнечной системы. Кроме Солнца, только Юпитер оказал существенное влияние на то как выглядят привычные нам окрестности планеты земля

Как «космический хулиган» Юпитер создал пояс астероидов и не дал вырасти Марсу

Последствия скитаний планеты-гиганта по солнечной системе, занявших миллиарды лет, поражают воображение.

«Движения Юпитера по спирали, когда он то удалялся, то приближался к Солнцу, могут разрешить давнюю проблему пояса астероидов: почему он состоит как из сухих, каменных объектов, так и из ледяных», – говорит Манделл.

По мнению астрономов, пояс астероидов существует потому, что гравитационное поле Юпитера предотвратило сближение каменных объектов с последующим формированием планеты. Некоторые ученые раньше уже высказывали предположение, что Юпитер мог в какой-то момент приблизиться к Солнцу, однако при формулировке такой гипотезы возникала серьезная проблема. Считалось, что гравитационное поле Юпитера в этом случае должно было привести к рассеянию пояса астероидов. То есть его бы уже не существовало.

«В течение долгого времени это соображение ограничивало наши фантазии о том, что мог совершить Юпитер», – заметил Уэлш.

Вместо того, чтобы уничтожить пояс астероидов, Юпитер, приближающийся к Солнцу, отодвинул его дальше согласно новой модели. «Процесс перемещения Юпитера к Солнцу был чрезвычайно медленным, – объясняет Манделл, – поэтому, когда он приблизился к поясу астероидов, это не было страшным столкновением, но скорее танцем, в котором они едва разминулись и поменялись местами».

Аналогично, когда Юпитер удалялся от Солнца, он снова поменялся местами с поясом астероидов, придвинув его обратно к Солнцу на привычное нам место – между орбитами Марса и Юпитера. А поскольку в своем обратном движении Юпитер достиг намного более дальних областей, чем те, где он образовался, то его влияние подтолкнуло находящиеся там ледяные объекты внутрь Солнечной системы, где мы их сейчас и наблюдаем – в поясе астероидов.

«В конце концов пояс астероидов включает каменные объекты из внутренней Солнечной системы и ледяные – из внешней, – говорит Уэлш. – Наша модель размещается то, что нужно там, где нужно и объясняет современный состав пояса астероидов».

Не повезло только Марсу. Пребывание Юпитера во внутренней части Солнечной системы имело еще одно серьезное последствие. Марс оказался меньше, чем мог бы быть. «Столь малый размер Марса был необъяснимой проблемой, касающейся формирования Солнечной системы, – говорит Манделл. – Для решения именно этой проблемы мы и задумали разработать новую модель формирования Солнечной системы».

Поскольку Марс образовался дальше, чем Венера и Земля, он имел больше материала и должен бы быть больше Венеры и Земли. Однако, на самом деле он значительно меньше.

Кольцо астероидов в Солнечной системе – граница между «внутренней» и «вешними» группами планет. Юпитер «стащил» их сюда как гигантский пылесос

Но если Юпитер провел много времени во внутренней Солнечной системе, он мог «раскидать» весь этот материал из-за своего сильного гравитационного поля. Большая часть потенциального материала, располагавшаяся дальше 1 а.е., была раскидана, и Марсу на расстоянии 1,5 а.е. от Солнца практически ничего не осталось. Венере и Земле повезло: в их районе материала было больше.

«При помощи нашей модели мы наконец смогли объяснить образование маленького Марса а заодно еще и разобрались с поясом астероидов, – сказал Уэлш. – К нашему собственному удивлению, модель позволила очень хорошо описать особенности пояса астероидов и понять его лучше, чем раньше».

Новая модель также помещает Юпитер, Сатурн и других газовых гигантов в правильные позиции, согласующиеся с современными теориями их движения. Модель также позволяет констатировать, что наша Солнечная система похожа на большинство известных планетных систем, в которых газовые гиганты находятся близко к своим звездам (даже ближе, чем Меркурий находится к Солнцу).

Таким образом, вопрос “почему наша Солнечная система такая странная”, т.е. непохожая на подавляющую массу других планетных систем снимается с повестки и может считаться решенным.