Распутать то, что произошло в нашей Солнечной системе десятки или сотни миллионов лет назад, непросто. Миллионы объектов совершенно разных масс взаимодействовали на протяжении миллиардов лет в поисках естественной стабильности. Но ее история, включая миграцию планет-гигантов, объясняет то, что мы видим сегодня в нашей Солнечной системе и, возможно, в других, далеких солнечных системах.
Новое исследование показывает, что миграция планет-гигантов началась вскоре после формирования Солнечной системы.
Планетарная миграция — устоявшаяся идея. Гипотеза Гранд-Така гласит, что Юпитер сформировался на расстоянии 3,5 а.е., мигрировал внутрь до 1,5 а.е., а затем снова обратно к 5,2 а.е., где он находится сегодня. Сатурн тоже был вовлечен. Миграцией также можно объяснить появление горячих юпитеров, вращающихся очень близко к своим звездам в других солнечных системах. Они не могли там образоваться, поэтому, должно быть, мигрировали туда. Даже каменистые планеты могут мигрировать на ранних этапах истории Солнечной системы.
Новое исследование журнала Science устанавливает даты миграции гигантских планет в нашей Солнечной системе. Его название — «Датирование орбитальной нестабильности гигантской планеты Солнечной системы с использованием энстатитовых метеоритов». Ведущий автор — доктор Криса Авделлиду из Школы физики и астрономии Лестера.
«Вопрос в том, когда это произошло?» – спросил доктор Авделлиду. «Орбиты этих планет дестабилизировались из-за каких-то динамических процессов, а затем приняли свои окончательные положения, которые мы видим сегодня. Каждое время имеет разные последствия, и это стало предметом больших дискуссий в сообществе».
«В этой работе мы попытались не только провести чисто динамическое исследование, но и объединить различные типы исследований, связывая наблюдения, динамическое моделирование и исследования метеоритов».
Метеориты в этом исследовании представляют собой энстатиты или астероиды E-типа. Астероиды E-типа имеют поверхность энстатита (MgSiO3)-ахондрита. Ахондрит означает, что у них отсутствуют хондры, зерна камня, которые когда-то были расплавлены, прежде чем приросли к их родительскому телу. В частности, эта группа метеоритов представляет собой хондриты с низким содержанием железа, называемые EL.
Когда планеты-гиганты движутся, все остальное реагирует на них. Крошечные астероиды незначительны по сравнению с массой Юпитера. Ученые полагают, что астероиды Е-типа были рассеяны во время внешней миграции газовых гигантов. Возможно, они даже были участниками гипотетической поздней тяжелой бомбардировки.
Энстатитовые ахондриты, ударившие о Землю, имеют такой же состав и соотношение изотопов, что и Земля. Это свидетельствует о том, что они сформировались в одной и той же части протопланетного диска вокруг молодого Солнца. Предыдущие исследования доктора Авделлиду и других связали метеориты с популяцией фрагментов в поясе астероидов под названием Атор.
Эта работа основана на связывании метеоритов с родительскими астероидами и измерении изотопных соотношений.
«Если тип метеорита можно связать с конкретным родительским астероидом, это дает представление о составе астероида, времени образования, изменении температуры и первоначальном размере», — объясняют авторы. Когда дело доходит до состава, содержание изотопов особенно важно. Разные изотопы распадаются с разной скоростью, поэтому анализ их соотношения позволяет исследователям узнать, когда закрылся каждый метеорит, то есть когда он стал достаточно прохладным, чтобы не было более значительной диффузии изотопов. «Поэтому термохронометры в метеоритах могут определить эпоху, когда крупные столкновения нарушили кривые охлаждения родительского астероида», — объясняют авторы.
Исследования команды показывают, что Атор является частью некогда гораздо более крупного родительского тела, сформировавшегося ближе к Солнцу. Он также пострадал от столкновения, которое уменьшило его размер за пределы пояса астероидов.
Атор нашел путь назад, когда мигрировали планеты-гиганты. Атор оказался во власти всей этой движущейся массы и сам мигрировал обратно в пояс астероидов. Анализ метеоритов показал, что это не могло произойти раньше, чем 60 миллионов лет назад. Другие исследования астероидов на орбите Юпитера показали, что это не могло произойти позднее 100 миллионов лет назад. Поскольку Солнечная система образовалась около 4,56 миллиарда лет назад, миграция гигантских планет произошла между 4,5 и 4,46 миллиардами лет назад.
А показано образование и охлаждение родительской планетезимали EL в области планеты земной группы до 60 млн лет после образования Солнечной системы. В этот период планеты земной группы начали разбрасывать планетезимали на орбиты с высоким эксцентриситетом и большой полуосью, соответствующей главному поясу астероидов. B показывает, что между 60 и 100 млн лет назад планетезималь EL была разрушена в результате удара в районе планеты земной группы. По крайней мере, один фрагмент (прародитель семейства Атор) был разбросан планетами земной группы по рассеянному диску, как в (А). Затем нестабильность планеты-гиганта внедрила его во внутренний главный пояс, уменьшив его эксцентриситет. C показывает, что через несколько десятков миллионов лет после того, как произошла нестабильность гигантской планеты, гигантский удар между планетарным эмбрионом Тейей и прото-Землей образовал Луну. D показывает, что прародитель семейства Атор пережил еще одно ударное событие, которое сформировало семейство Атор примерно в 1500 млн лет назад. Изображение предоставлено: Авделлиду и др. 2024.
Примерно в то же время произошло еще одно важное событие. Около 4,5 миллиардов лет назад протопланета Тейя врезалась в Землю, образовав Луну. Может ли это быть связано?
«Формирование Луны также произошло в пределах диапазона, который мы определили для нестабильности планеты-гиганта», — пишут авторы в своем исследовании. «Это может быть совпадение, или между этими двумя событиями может быть причинно-следственная связь».
«Это похоже на то, что у вас есть пазл, вы понимаете, что что-то должно было произойти, и пытаетесь расположить события в правильном порядке, чтобы составить ту картину, которую вы видите сегодня», — сказал доктор Авделлиду. «Новинка исследования заключается в том, что мы проводим не только чистое динамическое моделирование, или только эксперименты, или только телескопические наблюдения».
«Когда-то в нашей Солнечной системе было пять внутренних планет, а не четыре, так что это может иметь значение для других вещей, например, для того, как мы формируем обитаемые планеты. Вопросы типа, когда именно появились объекты, доставляющие летучие вещества и органику на нашу планету, на Землю и Марс?»
История Солнечной системы — это запутанная и красивая загадка, которая каким-то образом привела к нам. Все должно было сложиться так, чтобы жизнь возникла на Земле, поддерживалась и развивалась так долго. Эпическая миграция газовых гигантов, должно быть, сыграла свою роль, и это исследование подчеркивает ее роль.
Не говоря уже о пригодности для жизни, сложной жизни и цивилизации, миграция, возможно, в первую очередь позволила Земле сформироваться.
«Время очень важно, потому что наша Солнечная система вначале была населена множеством планетезималей», — сказал соавтор исследования Марко Дельбо, директор по исследованиям французской обсерватории в Ницце. «И нестабильность очищает их, поэтому, если это произойдет через 10 миллионов лет после возникновения Солнечной системы, вы немедленно очистите планетезимали, тогда как если вы сделаете это через 60 миллионов лет, у вас будет больше времени, чтобы доставить материалы на Землю и Марс».
