Вчені розкривають, як наша Сонячна система може захопити нову планету

Коли Оумуамуа перетнув нашу Сонячну систему у 2017 році, це був перший підтверджений міжзоряний об’єкт (ISO), якому це вдалося. Потім у 2019 році комета 2l/Борисов зробила те саме. Це єдині дві підтверджені ISO, які відвідали нашу Сонячну систему. Напевно, за довгу історію нашої Сонячної системи відвідало багато інших ISO, і ще багато відвідає в майбутньому. Очевидно, що таких об’єктів більше, і очікується, що майбутня обсерваторія Віри Рубін виявить набагато більше. Цілком можливо, що Сонце може захопити ISO або шахрайську планету, так само як деякі планети захопили супутники.

Все зводиться до фазового простору.

Що станеться з нашою зрілою, спокійною Сонячною системою, якби вона раптом отримала ще одного члена? Це залежатиме від маси об’єкта та кінцевої орбіти, на якій він опинився. Це цікавий уявний експеримент; хоча Борисов і Оумуамуа були меншими об’єктами, більш масивна планета-шахрай, що приєднується до нашої Сонячної системи, могла б створити орбітальний хаос. Це потенційно може змінити хід життя на Землі, хоча це дуже малоймовірно.

Наскільки ймовірний цей сценарій? Нова дослідницька записка в Celestial Mechanics and Dynamic Astronomy описує, як наша Сонячна система може вловити ISO. Він називається «Постійне захоплення в Сонячну систему», а авторами є Едвард Белбруно з факультету математичних наук Єшивського університету та Джеймс Грін, колишній співробітник NASA, а тепер співробітник Space Science Endeavours.

Фазовий простір — це математичне представлення, яке описує стан динамічної системи, як-от наша Сонячна система. У фазовому просторі використовуються координати, які представляють як положення, так і імпульс. Це як багатовимірний простір, який містить усі можливі орбітальні конфігурації навколо Сонця. Фазовий простір фіксує стан динамічної системи шляхом відстеження характеристик положення та імпульсу. У фазовому просторі нашої Сонячної системи є точки захоплення, де ISO може виявитися гравітаційно прив’язаною до Сонця.

Фазовий простір є складним і базується на гамільтонівській механіці. Такі речі, як орбітальний ексцентриситет, велика напіввісь і нахил орбіти, все це впливає на це. Фазовий простір найкраще розуміти як багатовимірний ландшафт. Фазовий простір нашої Сонячної системи включає два типи точок захоплення: слабкі та постійні. Точки слабкого захоплення – це області в просторі, де об’єкт може бути тимчасово виведений на напівстабільну орбіту. Ці точки часто є місцем зустрічі зовнішніх країв гравітаційних кордонів об’єктів. Вони більше схожі на гравітаційні поштовхи, ніж на орбітальне прийняття.

Точки постійного захоплення – це області в космосі, де об’єкт може бути постійно захоплений на стабільну орбіту. Кутовий момент і енергія об’єкта є точною конфігурацією, яка дозволяє йому підтримувати орбіту. У планетних системах ці постійні точки захоплення є стабільними орбітальними конфігураціями, які зберігаються протягом надзвичайно тривалих періодів часу.

Фазовий простір нашої Сонячної системи надзвичайно складний і включає в себе багато рухомих тіл і їхні координати, що змінюються. Незначні зміни координат у фазовому просторі можуть дозволити об’єктам переходити між станами постійного захоплення та станами слабкого захоплення. Таким же чином, тонкі відмінності в ISO або планет-ізгоїв можуть привести їх до цих точок.

У своїх дослідницьких записках автори описують постійне захоплення ISO таким чином: «Постійне захоплення маленького тіла, P, навколо Сонця, S, з міжзоряного простору відбувається, коли P ніколи не може втекти назад у міжзоряний простір і залишається захопленим в межах Сонячної системи протягом усього майбутнього часу, рухаючись без зіткнення з Сонцем».

Пуристи зауважать, що ніщо не може бути незмінним протягом усього майбутнього, але суть залишається в силі. Інші дослідники заглибилися в цей сценарій, але ця робота йде ще далі. «Крім постійного захоплення, P також слабко захоплений», – пишуть вони. Він обертається навколо загальновідомо складної для вирішення проблеми трьох тіл. Крім того, на відміну від попередніх досліджень, які використовують Юпітер як третє тіло, у цій роботі використовується приливна сила галактики як третє тіло разом із P і S.

«Ця приливна сила має значний вплив на структуру фазового простору для діапазону швидкостей і відстані від Сонця, які ми розглядаємо», — пояснюють вони у своїй статті.

Стаття зосереджена на теоретичній природі фазового простору та захоплення ISO. Він вивчає «динамічні та топологічні властивості особливого типу постійного захоплення, яке називається постійним слабким захопленням, яке відбувається протягом нескінченного часу».

Об’єкт із постійним слабким захопленням ніколи не втече, але ніколи не досягне постійної, стабільної орбіти. Він асимптотично наближається до набору захоплення без зіткнення із зіркою. Немає багато суперечок щодо того, що планети-ізгої, ймовірно, існують у великій кількості. Зірки утворюються групами, які згодом розсіюються на ширшій території. Оскільки зірки містять планети, деякі з цих планет будуть розсіяні через гравітаційну взаємодію до того, як зорі, що народжуються, трохи відокремляться одна від одної.

«Остаточна архітектура будь-якої сонячної системи буде сформована розсіюванням між планетами на додаток до зіркових прольотів суміжних формуючих зоряних систем, оскільки близькі зіткнення можуть витягувати планети та малі тіла з системи, створюючи так звані планети-шахраї», — пояснюють автори.

«Якщо взяти разом, викид планет в результаті раннього розсіювання планет і зіткнень зірок і в подальшій еволюції багатопланетної сонячної системи має бути звичайним явищем і підтверджувати докази дуже великої кількості планет-шахраїв, які вільно плавають у міжзоряному просторі. які, можливо, перевищують кількість зірок», – пишуть автори, зазначаючи, що це твердження є суперечливим.

Отже, що це все додає?

Дослідники розробили поперечний переріз захоплення для фазового простору Сонячної системи, а потім підрахували, скільки планет-шахраїв знаходиться в околицях нашої Сонячної системи. У наших сонячних околицях, які простягаються на радіус шести парсек навколо Сонця, є 131 зірка та коричневі карлики. Астрономи знають, що принаймні кілька з них містять планети, і всі вони цілком можуть мати планети, які ми ще не виявили.

Кожні мільйон років близько двох наших зоряних сусідів наближаються на кілька світлових років від Землі. «Однак очікується, що шість зірок пролетять близько в найближчі 50 000 років», – пишуть автори. Зовнішня межа Хмари Оорта знаходиться на відстані близько 1,5 світлових років, тому деякі з цих зіткнень зірок можуть легко витіснити об’єкти з хмари та направити їх у бік внутрішньої частини Сонячної системи. Це вже траплялося багато разів, оскільки хмара, ймовірно, є джерелом довгоперіодичних комет.

Дослідники виявили отвори у фазовому просторі Сонячної системи, які могли б дозволити деяким із цих об’єктів, або ISO або планет-ізгоїв, досягти постійного слабкого захоплення.

Це отвори у сфері Sun’s Hill, області, де гравітація Сонця є домінуючою силою тяжіння для захоплення супутників. Ці отвори розташовані на відстані 3,81 світлового року від Сонця в напрямку центру Галактики або навпроти нього.

«Через ці отвори можливе постійне слабке захоплення міжзоряних об’єктів у Сонячну систему», — стверджують автори. «Вони хаотично рухалися б у сфері Хілла до постійного захоплення навколо Сонця, що займало б довільно багато часу за нескінченну кількість циклів».

Ці об’єкти ніколи не зіткнуться з Сонцем і можуть бути зафіксовані назавжди. «Планета-шахрай може порушити орбіти планет, які можна виявити», – підсумовують вони. Ми ще тільки починаємо розуміти ISO та планети-шахраї. Ми знаємо, що вони там, але ми не знаємо, скільки і де вони. Обсерваторія Віри Рубін може відкрити нам очі на цю сукупність об’єктів. Це може навіть показати, як вони групуються в одних регіонах і уникають інших. Відповідно до цієї роботи, якщо вони знаходяться поблизу будь-якого з отворів у сфері Сонячного пагорба, у нас може бути відвідувач, який вирішить залишитися.