Книга Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог

NASA/JHUAPL/SwRI

Во всем этом есть динамическая загадка. Орбита Плутона имеет настолько большой эксцентриситет, что 1/12 своего года (который составляет 248 земных лет) он проводит внутри орбиты Нептуна. Можно подумать, что планеты с пересекающимися орбитами рано или поздно столкнутся, но в случае с Нептуном и Плутоном имеет место резонанс 3:2, так что Плутон пересекает орбиту соседа, только когда Нептун находится далеко впереди или далеко позади. Почему планета диаметром 2300 км, вокруг которой обращается спутник в два раза меньшего размера, находится на сильно наклоненной и вытянутой орбите вокруг Солнца в стабильном орбитальном резонансе с Нептуном? Планеты размером с Плутон могут формироваться только в средней плоскости протопланетного диска, потому что именно там находится все вещество, так что Плутон после своего образования был каким-то образом сбит с первоначальной орбиты.

Первой мыслью было объяснить это «гравитационной пращей», в которую попал массивный объект пояса Койпера, близко подошедший к Нептуну. Другая идея состояла в том, что Плутон ушел с орбиты вокруг Нептуна и является родным братом Тритона, который имеет практически ту же массу и обращается вокруг Нептуна в обратную сторону, против направления вращения планеты. Определенно, чтобы объяснить необычное попятное движение Тритона, должно было произойти что-то странное[188]. Но оба этих сценария – сбежавший спутник или скользящее сближение с Нептуном – динамически невозможны. Перейти с орбиты, которая приводит к встрече с Нептуном, на ту, которая заведомо исключает сближение с Нептуном, – это все равно что в биллиарде сделать удачный дуплет с неправильного конца стола. Если использовать язык динамики, эти орбиты находятся по разные стороны сепаратрисы.

В начале 1990-х американский астрофизик Рену Малхотра выдвинула идею, связавшую необычную орбиту Плутона (давнюю проблему) с новой, только зарождавшейся концепцией миграции планет-гигантов из-за рассеяния планетезималей. Согласно ее теории, аккреция Нептуна шла в центре роя ледяных тел, обращающихся вокруг Солнца. Время от времени пролетающая мимо маленькая планетезималь в силу эффекта пращи огибала планету и уносилась прочь. Таких встреч было много миллиардов, и каждая немного толкала Нептун. Поскольку Нептун очень массивен, каждое воздействие было очень маленьким, но в сумме они давали некую силу, ведь толчки были асимметричными из-за того, что большинство планетезималей приближались к Нептуну с внешней стороны его орбиты (те, которые обращались ближе к Солнцу, были поглощены или рассеяны при формировании других планет-гигантов). Таким образом равновесие было слегка нарушено, и суммарная сила оказалась направленной вовне, а не внутрь. Для разумного начального количества планетезималей расчеты показали, что Нептун мог плавно сместиться со своего первоначального положения около 20 а.е. от Солнца на 7 а.е. (или больше) наружу, пока все планетезимали не были рассеяны или не стали слишком редкими, чтобы оказывать значительное влияние.

Плутон, сформировавшийся вне первоначальной орбиты Нептуна, оказался на его пути так же, как и множество других крупных тел. Но, прежде чем Нептун смог его достичь, обе планеты попали в ситуацию, когда Нептун обращался вокруг Солнца три раза на каждые два оборота Плутона. В результате возникло мощное гравитационное сопряжение, в котором Нептун оказывал преимущественное влияние на Плутон. По мере расширения орбиты Нептуна он подталкивал Плутон, увеличивая эксцентриситет и наклонение его орбиты: это походит на ситуацию, когда ребенок на качелях начинает болтаться вправо и влево, если вы раскачали его так сильно, как он вас просит.

Многим из крупнейших первоначальных объектов пояса Койпера повезло меньше. Они были поглощены Нептуном или какой-то другой планетой, а то и вовсе выброшены из Солнечной системы. Тем не менее эта ловкая увертка удалась не одному только Плутону: более десятка других «плутино» меньшего размера попались в ту же ловушку резонанса с Нептуном и смогли договориться никогда не сталкиваться с этим мастодонтом в 20 раз массивнее Земли, так что теперь он оберегает их от дальнейшего хаоса.

Правильность этой модели подразумевает, что Юпитер и Сатурн также мигрировали после своего формирования под влиянием такого же взаимодействия с планетезималями и кометами. Зародившись в центральной части Солнечной системы, они не всегда двигались наружу, как Нептун, но иногда смещались и внутрь. Первая версия этой идеи о значительной миграции Юпитера и Сатурна называется «модель Ниццы» в честь обсерватории во Франции, где она обрела целостную форму. В ней учитывается, что орбитальные периоды Юпитера и Сатурна могли синхронизироваться во время этой миграции – как орбитальные периоды Плутона и Нептуна, только в большем масштабе. В зависимости от начальной конфигурации (расположения планет и распределения масс планетезималей, то есть от результатов «игры в Бога», которой занимаются специалисты по компьютерному моделированию) две планеты могут оказаться в чрезвычайно прочном и несимметричном резонансе 2:1, когда Юпитер делает два оборота на каждый оборот Сатурна. В такой ситуации эти два самых массивных тела Солнечной системы периодически выстраивались бы в линию по ту или другую сторону от Солнца, превращая всю систему в гравитационный двигатель с несбалансированным валом. (Если считать Юпитер ротором, тогда в описанном ниже сценарии первоначальная система спутников Сатурна соответствует болтающимся гайками и болтами, которые вот-вот готовы слететь.)

Модель Ниццы хороша для объяснения характера размещения транснептуновых объектов, поскольку она описывает вытеснение объектов из общего диска на наклонные эксцентрические орбиты, где мы и видим многие из них, но оставляет «классический» диск в средней плоскости. Также она может пролить свет на происхождение Урана и Нептуна, поскольку, если эти ледяные гиганты зародились там, где они находятся сегодня, нам трудно понять, как шел процесс их формирования. Проблема в том, что материал, из которого они появились, на расстоянии 20 или 30 а.е. должен был быть настолько рассеян и обращаться так медленно (с периодом в 100 лет или дольше), что для формирования Нептуна потребовалось бы 10 млрд лет. В оригинальной модели Ниццы эта проблема решена так: Нептун и Уран зародились между Сатурном и Юпитером и были отброшены наружу, когда резонанс 2:1 привел систему в неравновесное состояние. Но, хотя в таком виде модель Ниццы может объяснить существование Нептуна, она делает невозможной изящную теорию о Плутоне, которую я только что изложил. В запутанной научной области динамики образования планет нам нужно постоянно держать в голове сразу много параллельно складывающихся моделей.