Земля, Марс, Венера та невідома планета гармонійно “вальсували” навколо Сонця, — моделювання на спостереженнях екзопланет

Китайські дослідники з’ясували, що чотири планети земної групи у Сонячній системі, включно із Землею та давно загубленною планетою, ймовірно, утворились, обертаючись навколо материнської зірки у певному ритмі.

Результати дослідження також передбачають, що ці планети сформувались раніше, ніж вважалось. Астрономів все більше цікавить, як планетні системи змінюють положення у космічних масштабах часу. Цьому сприяла низка нещодавніх відкриттів кількох екзопланетних систем, включно з групою з семи екзопланет, що обертаються навколо крихітної зірки TRAPPIST-1.

Попередні дослідження показали, що на ранньому етапі планетарні системи утворюють пари, або потрійні системи, чи системи із більшою кількістю планет, які обертаються у схожому ритмі, що називається резонансом, навколо материнської зірки. Орбітальні періоди планет у резонансі, представляють відношення двох цілих чисел, тобто результат поділу одного цілого числа на інше, який також є цілим числом. Наприклад, у системі TRAPPIST-1 найбільша внутрішня планета, TRAPPIST-1 b, робить вісім обертів навколо п’яти своїх найближчих сусідів.

Резонанс виникає серед планет, які утворились у протопланетному диску з уламків, що оточували новонароджену зірку і містять газ. Ці планети взаємодіють з газом, обмінюючись з ним обертальним рухом, що часто призводить до їхнього руху ближче до материнської зірки. Більшість з цих планет може зближуватися настільки, що їх орбітальні періоди “резонують”, або стають цілочисленними кратними.

Наразі планети Сонячної системи не перебувають у резонансі, хоча до цього близькі Венера та Марс, маючи співвідношення орбітальних періодів 3,05:1. У 2025 році астрономи продемонстрували, що Юпітер та Сатурн перебували у резонансі невдовзі після утворення. Однак їхній резонанс різко припинився 4,4 млрд років тому, коли протопланетний газовий диск почав випаровуватися, виштовхуючи Сатурн, Уран і Нептун назовні в ході явища, що називається гігантською планетарною нестабільністю.

Як зазначає співавтор нового дослідження, науковець з Університету Цинхуа в Китаї, Кріс Ормел, досі ніхто не досліджував, чи перебували планети земної групи у резонансі. На його думку, це пов’язано з тим, що альтернативна теорія щодо утворення планет в результаті серії масштабних зіткнень, вважалась адекватною для пояснення їхньої нинішньої поведінки. 

Дослідження, проведене у 2013 році, і присвячене аналізу марсіанських ізотопів, продемонструвало, що планети земної групи могли утворитись у той момент, коли протопланетний диск мав ще багато газу, приблизно, через 10 млн років після утворення Сонячної системи. Це означає, що планети земної групи могли тоді перебувати у резонансі.

Для перевірки цієї гіпотези дослідники створили комп’ютерні моделі ранішньої Сонячної системи. Кожна модель включала в себе Юпітер і Сатурн — а також чотири кам’янисті світи: Марс, Тейю (гіпотетичний об’єкт розміром з Марс, зіткнення якого з ранньою Землею призвело до утворення нашого Місяця), ранню Землю (до зіткнення з Тейєю) та Венеру. Через поширену теорію, що Меркурій утворився внаслідок гігантських зіткнень, науковці не включили цю планету у дослідження. 

У всіх моделях Сатурн знаходився ближче до Юпітера, ніж зараз. Науковці припустили, що кам’янисті планети збільшуються за рахунок накопичення або гальки, або більших кам’яних блоків вагою трильйони тонн. У більшості моделей Венера, Земля, Тейя і Марс утворили резонансний ланцюг 2:3:4:6 протягом мільйона років змодельованого часу.

Після цього дослідники провели 13 тис. 200 симуляцій потенційних рухів планет упродовж 100 млн років, з урахуванням гравітаційного впливу кожної планети на інші. На відмітці у 10 млн років науковці змусили Сатурн рухатись назовні, щоб змоделювати нестабільність гігантської планети. 

Астрофізики дізнались, що ґрунтуючись на вибраних параметрах, близько половини симуляцій відтворили сучасну конфігурацію планет земної групи. Це включало такі аспекти, як наявність єдиного зіткнення Тейї із Землею та співвідношення орбітальних періодів Венери та Марса 3,05:1.

Отримані дані також свідчать, що планети утворились у заповненому газом протопланетному диску упродовж перших 10 млн років після виникнення Сонячної системи. Це принаймні на 20 млн років раніше, ніж передбачають сучасні моделі.

Однією з планет, здатною підтвердити вік кам’янистих внутрішніх світів, є Венера. На відміну від Землі та Марса, Венера не піддавалась масштабному бомбардуванню великими космічними об’єктами в ході зіткнень і її мантія відображує її давнє походження. 

Результати також вказують на те, що зовнішні планети-гіганти можуть суттєво дестабілізувати своїх внутрішніх супутників. Автори стверджують, що це може пояснити, чому резонансні системи, подібні до TRAPPIST-1, не мають зовнішніх планет-гігантів.

Результати дослідження опубліковані у журналі The Astrophysical Journal

Джерело: LiveScience