Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Другой тип миграции, за который тоже отвечает газ, – миграция II типа – реализуется в случае с более массивными планетами (с массами, близкими к массе Юпитера). Поэтому чаще всего, если система включает только одну планету-гиганта, это происходит на более поздних этапах, чем миграция I типа. При этом присутствие планеты существенно меняет структуру диска: обмен моментом импульса между диском и газом через спиральные волны плотности буквально расталкивает газ от планеты в разные стороны и формирует с обеих сторон от орбиты планеты кольцевой зазор. Планета оказывается заблокирована в кольцевом зазоре – как бы заморожена в нем, и ее миграция теперь связана с эволюцией протопланетного диска. В ближайших к звезде областях протопланетного диска, там, где потоки газа направлены к звезде, планета по спирали двигается внутрь системы, во внешних же областях, если диск расширяется, планета может мигрировать наружу. Это медленное, постепенное изменение орбиты, тогда как миграция I типа происходит довольно быстро. Считается, что по мере роста массы планеты миграция I типа может перейти в миграцию II типа.

Второй механизм орбитальной миграции вызван гравитационным взаимодействием планеты с планетезималями. Каждая из планетезималей, пролетая мимо планеты, передает ей часть своего импульса – планета получает своего рода микроскопический гравитационный «толчок». Когда масса всех планетезималей, находящихся в окрестности планеты, близка к массе самой планеты, такие «толчки», постоянно происходящие на протяжении десятков и сотен миллионов лет, способны до неузнаваемости изменить орбиту планеты[46].

А за третий механизм миграции ответственно приливное взаимодействие планет друг с другом. Наиболее сильное воздействие оказывают друг на друга близкие планеты. Как и в предыдущем случае, они тоже обмениваются между собой энергией, но их гравитационные «толчки» носят регулярный характер, а не хаотичный. Такая регулярность возникает, когда периоды обращения планет относятся друг к другу как целые числа. Резонансы могут как полностью дестабилизировать орбиты планет, так и позволить орбитальной конфигурации стать очень стабильной. В первом случае это приводит к взаимному отталкиванию планет: одна планета смещается ближе к родительской звезде, а другая – дальше от нее. Во втором случае движение планет может быть настолько устойчивым, что планеты, однажды попавшие в резонанс, будут находиться в нем неограниченно долго и даже мигрировать вместе в одном направлении.

Теперь давайте посмотрим, какую роль все эти механизмы сыграли при формировании Солнечной системы и как запустили процесс ее окончательной перестройки. Планеты-гиганты формируются быстрее, чем каменистые планеты. Через 3–5 миллионов лет после образования Солнечной системы масса молодого Юпитерa достигла того значения, при котором газ протопланетного диска заставил планету мигрировать внутрь Солнечной системы. Движение Юпитера, скорее всего, было обусловлено миграцией II типа, но вполне могло быть и так, что все начиналось с миграции I типа, а впоследствии ее сменила миграция II типа – конкретика здесь уже не так важна. Путешествие Юпитера и последствия, к которым это путешествие привело, описываются моделью смены галса (Grand tack)⁶³. Первоначальное положение молодого Юпитера точно не установлено, но предполагается, что он сформировался недалеко от того места, где находится сейчас, около снеговой линии, в 3,5 а. е. от Солнца. За ним в это время аккумулировали газ и росли Сатурн, Уран и Нептун. Этот рост происходил гораздо медленнее, чем рост Юпитера, так как протопланетный диск по мере удаления от Солнца расширялся в продольном направлении, а концентрация газа в нем уменьшалась, и поэтому более далекие планеты получали меньше вещества для своего формирования.

Миграции Юпитера ничего не препятствовало – он мог бы продолжать двигаться к Солнцу до тех пор, пока оно не поглотило бы его, но что-то, как мы знаем сегодня, остановило его движение. Здесь в игру вступил Сатурн, который за это время уже успел нарастить массу и приблизиться к своим современным размерам. Он отправился вслед за Юпитером, и в этом случае мы имеем дело, скорее всего, с миграцией I типа. Хоть свое путешествие Сатурн начал позже, он, двигаясь быстрее Юпитера, успел нагнать старшего брата до того, как тот упал на Солнце (Юпитер к этому времени уже стал таким массивным, каким мы знаем его сегодня). Встреча двух планет-гигантов произошла через 100 000 лет после начала миграции Юпитера на расстоянии около 1,5 а. е. от Солнца – там, где сегодня лежит орбита Марса.

Хотя это значение в 1,5 а. е. весьма условное, оно позволило найти правильные значения радиусов орбит и масс Земли и Марса – планет, которым еще только суждено было родиться из пепла происходивших разрушений. Юпитер, словно гигантская метла, увлек за собой бо́льшую часть твердого вещества между 2 и 5 а. е., очистив это пространство от крупных планетезималей и переместив их во внутренние части Солнечной системы на расстояние от 0,3 до 1,0 а. е.