Земля, Марс, Венера и неизвестная планета гармонично "вальсировали" вокруг Солнца, — моделирование на наблюдениях экзопланет

Китайские исследователи выяснили, что четыре планеты земной группы в Солнечной системе, включая Землю и давно потерянную планету, вероятно, образовались, вращаясь вокруг материнской звезды в определенном ритме.

Результаты исследования также предполагают, что эти планеты сформировались раньше, чем считалось. Астрономов все больше интересует, как планетные системы меняют положение в космических масштабах времени. Этому способствовал ряд недавних открытий нескольких экзопланетных систем, включая группу из семи экзопланет, вращающихся вокруг крошечной звезды TRAPPIST-1.

Предыдущие исследования показали, что на раннем этапе планетарные системы образуют пары, или тройные системы, или системы с большим количеством планет, которые вращаются в похожем ритме, называемом резонансом, вокруг материнской звезды. Орбитальные периоды планет в резонансе, представляют отношение двух целых чисел, то есть результат деления одного целого числа на другое, которое также является целым числом. Например, в системе TRAPPIST-1 самая большая внутренняя планета, TRAPPIST-1 b, совершает восемь оборотов вокруг пяти своих ближайших соседей.

Резонанс возникает среди планет, которые образовались в протопланетном диске из обломков, окружавших новорожденную звезду и содержащих газ. Эти планеты взаимодействуют с газом, обмениваясь с ним вращательным движением, что часто приводит к их движению ближе к материнской звезде. Большинство из этих планет может сближаться настолько, что их орбитальные периоды «резонируют», или становятся целочисленными кратными.

В настоящее время планеты Солнечной системы не находятся в резонансе, хотя к этому близки Венера и Марс, имея соотношение орбитальных периодов 3,05:1. В 2025 году астрономы продемонстрировали, что Юпитер и Сатурн находились в резонансе вскоре после образования. Однако их резонанс резко прекратился 4,4 млрд лет назад, когда протопланетный газовый диск начал испаряться, выталкивая Сатурн, Уран и Нептун наружу в ходе явления, называемого гигантской планетарной нестабильностью.

Как отмечает соавтор нового исследования, ученый из Университета Цинхуа в Китае, Крис Ормел, до сих пор никто не исследовал, находились ли планеты земной группы в резонансе. По его мнению, это связано с тем, что альтернативная теория об образовании планет в результате серии масштабных столкновений, считалась адекватной для объяснения их нынешнего поведения. 

Исследование, проведенное в 2013 году, и посвященное анализу марсианских изотопов, продемонстрировало, что планеты земной группы могли образоваться в тот момент, когда протопланетный диск имел еще много газа, примерно через 10 млн лет после образования Солнечной системы. Это означает, что планеты земной группы могли тогда находиться в резонансе.

Для проверки этой гипотезы исследователи создали компьютерные модели ранней Солнечной системы. Каждая модель включала в себя Юпитер и Сатурн — а также четыре каменистых мира: Марс, Тейю (гипотетический объект размером с Марс, столкновение которого с ранней Землей привело к образованию нашей Луны), раннюю Землю (до столкновения с Тейейей) и Венеру. Из-за распространенной теории, что Меркурий образовался в результате гигантских столкновений, ученые не включили эту планету в исследование.

Во всех моделях Сатурн находился ближе к Юпитеру, чем сейчас. Ученые предположили, что каменистые планеты увеличиваются за счет накопления либо гальки, либо более крупных каменных блоков весом триллионы тонн. В большинстве моделей Венера, Земля, Тейя и Марс образовали резонансную цепь 2:3:4:6 в течение миллиона лет смоделированного времени.

После этого исследователи провели 13 тыс. 200 симуляций потенциальных движений планет в течение 100 млн лет, с учетом гравитационного влияния каждой планеты на другие. На отметке в 10 млн лет ученые заставили Сатурн двигаться наружу, чтобы смоделировать нестабильность гигантской планеты. 

Астрофизики узнали, что основываясь на выбранных параметрах, около половины симуляций воссоздали современную конфигурацию планет земной группы. Это включало такие аспекты, как наличие единственного столкновения Тейи с Землей и соотношение орбитальных периодов Венеры и Марса 3,05:1.

Полученные данные также свидетельствуют, что планеты образовались в заполненном газом протопланетном диске в течение первых 10 млн лет после возникновения Солнечной системы. Это по крайней мере на 20 млн лет раньше, чем предполагают современные модели.

Одной из планет, способной подтвердить возраст каменистых внутренних миров, является Венера. В отличие от Земли и Марса, Венера не подвергалась масштабной бомбардировке крупными космическими объектами в ходе столкновений и ее мантия отражает ее древнее происхождение. 

Результаты также указывают на то, что внешние планеты-гиганты могут существенно дестабилизировать своих внутренних спутников. Авторы утверждают, что это может объяснить, почему резонансные системы, подобные TRAPPIST-1, не имеют внешних планет-гигантов.

Результаты исследования опубликованы в журналеThe Astrophysical Journal

Источник: LiveScience