Текст книги "Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли"

Из-за несработавших реактивных двигателей и гарпунов, которыми был оснащен «Филы», маленький зонд не смог закрепиться на поверхности кометы. Он отскочил, что было опасно, поскольку модуль мог вырваться из слабого гравитационного поля кометы. Каким-то чудом «Филам» все-таки удалось вернуться на поверхность, но на этот раз он оказался лежащим на боку на затененном участке с неровным рельефом. Из-за тени солнечные батареи не могли обеспечить подзарядку дополнительных аккумуляторов «Фил». В результате, исчерпав за два с половиной дня заряд основной батареи, модуль переключился в режим ожидания.

Поначалу еще была надежда на то, что модуль вернется в активный режим при приближении кометы к Солнцу. Однако, не считая кратковременного спорадического обмена сигналами в июне 2015 г., он не подавал никаких признаков активности. В феврале 2016 г. ЕКА заявило, что «Филы» вряд ли когда-нибудь еще выйдут на связь. Впрочем, даже за столь непродолжительный период активности «Филы» сумели выполнить запланированную научную программу на 80 %. Одновременно с этим продолжался сбор данных космическим аппаратом «Розетта», который все это время находился над кометой.

Гравитационное поле кометы в сотни тысяч раз слабее поля Земли, поэтому занять орбиту свободного падения и двигаться по ней вокруг кометы «Розетта» не мог. Вместо этого с помощью своих двигателей он описывал треугольник вокруг ядра, после чего начиналось неуклонное снижение к поверхности кометы. Минимальное расстояние от аппарата до ядра составило приблизительно 10 км.

Когда «Розетта» преодолела отметку 100 км над скалистым ландшафтом, она погрузилась в мутную газовую оболочку, окружающую ядро кометы. Это был первый контакт с водой кометы. И оказалось, что она отличается от земной. Вода кометы 67P в три раза богаче дейтерием воды в океанах Земли.

Задолго до «Розетты», которая стала первым космическим аппаратом, сопровождавшим комету в ее путешествии вокруг Солнца, еще одной миссии ЕКА удалось пролететь мимо кометы Галлея. Произошло это в марте 1986 г., когда зонд «Джотто» взял образцы комы кометы. Впоследствии проведенные им измерения были подкреплены данными 10 наземных наблюдений за различными кометами из пояса Койпера и облака Оорта. Аналогичная земной доля тяжелой воды была зафиксирована лишь однажды.

Данные с «Розетты» послужили материалом для сотен журнальных публикаций, но результаты анализа имеющейся на комете воды были опубликованы одними из первых. В декабрьском номере Science за 2014 г. появилась статья, в которой был сделан вывод о том, что по мере удаления от Солнца вода ставится тяжелее. Таким образом, источник наших морей следует искать ближе к Земле.

Ближайшее к нам скопление осколков горных пород – это пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Приблизительно 1–2 млн объектов размером свыше 1 км вращаются по орбитам вокруг Солнца, образуя полосу шириною чуть больше 1 а.е. Когда в июле 1972 г. зонд NASA «Пионер-10» впервые оказался внутри пояса астероидов, были опасения, что космический аппарат может быть уничтожен в результате случайного столкновения с одним из многочисленных осколков. На самом деле, благодаря тому, что пояс занимает огромное пространство, расстояния между астероидами очень велики, в среднем достигая нескольких миллионов километров.

Как и у пояса Койпера, у пояса астероидов есть своя собственная карликовая планета – Церера. Также в нем есть ряд других примечательных объектов, включая астероиды Веста, Паллада и Гигея, каждый размером более 400 км.

В поясе астероидов могла бы сформироваться еще одна планета, но из-за влияния гравитации Юпитера столкновения твердых тел здесь происходили на больших скоростях, что затруднило появление нового мира. Подобно Нептуну, находящемуся на другом краю области газовых гигантов, Юпитер также проявлял большую активность, притягивая и выталкивая каменистые тела. Поэтому астероиды на той стороне пояса, которую занимает Юпитер, более богаты водой: их формирование проходило в непосредственной близости от снеговой линии при участии объектов, которые выталкивал во внутреннюю область Юпитер.

Оказываясь во власти гравитации Юпитера в неудачный момент или сталкиваясь друг с другом, некоторые астероиды сходят со своих орбит и устремляются к Солнцу. В отличие от комет астероиды не содержат такого количества льда, которое необходимо для появления хвоста. Поэтому при попадании в окрестности Земли они получают статус околоземного объекта (ОЗО).

Траектории движения некоторых ОЗО пролегают в непосредственной близости от Земли. С одной стороны, они создают угрозу для нашей планеты, с другой – мы можем извлечь пользу из такого сближения. Например, до них намного легче добраться. Как раз для этого в 2014 и 2016 гг. были запущены две космические станции: японская «Хаябуса-2» и американская «ОСИРИС-Рекс».

«Хаябуса-2» – преемница добравшейся до астероида Итокава станции «Хаябуса», о которой шла речь в первой главе. Итокава – астероид класса S, так называемый каменный астероид. Представители этого класса космических тел, как правило, происходят из внутренней области пояса астероидов. Место формирования определяет особенности их строения. Астероиды класса S – сухие астероиды. Их поверхность несет на себе следы окружающей космической среды: она подвергается бомбардировке частицами солнечного ветра и воздействию солнечной радиации. После таких воздействий Итокава мог служить хорошим источником информации о том, что происходит с астероидами, но едва ли мог пролить свет на природу каменистых тел, сталкивавшихся с Землей на ранних этапах ее эволюции.

По этой причине «Хаябусу-2» запустили к астероиду иного типа. Ее целью стал астероид класса C под названием Рюгу. К этому классу относятся углеродистые астероиды, которые, как считается, претерпели относительно мало изменений с момента образования Солнечной системы 4,56 млрд лет назад. Сейчас Рюгу движется по орбите вокруг Солнца между Землей и Марсом, однако в начале своего пути он, вероятнее всего, был частью основного скопления астероидов класса C на дальней, ледяной стороне пояса астероидов.

Запуск «Хаябусы-2» состоялся в начале декабря 2014 года. Запланированное время приближения станции к Рюгу – 2018 год. Так сказать, на пятки ей наступает другая космическая станция – «ОСИРИС-Рекс» (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer, OSIRIS-REx), запущенная NASA осенью 2016 г. и направляющаяся к другому астероиду класса C под названием Бенну. Задача обеих станций – взять и доставить на Землю образцы. Это означает, что они не только будут передавать информацию об астероидах, но также вернутся на Землю с частицами, собранными с их поверхности. Как показывает опыт «Филы», посадка модуля на астероид, без чего получить образцы невозможно, представляет собой задачу колоссальной сложности. Но игра стоит свеч.

В найденных на Земле метеоритах со следами присутствия воды также содержится множество органических молекул. Таким образом, можно сделать смелое предположение о том, что при «жесткой» посадке на молодую Землю каменистые небесные тела приносили с собой не только воду, но и нечто, из чего могла зародиться сама жизнь. Поэтому образцы с астероидов Рюгу и Бенну помогут не только проверить гипотезу о происхождении земных океанов, но и пролить свет на самые первые шаги жизни на Земле.

Своим названием астероид Рюгу обязан японской народной легенде о рыбаке по имени Урасима Таро, который спас морскую черепаху от мучивших ее детей. По счастливому стечению обстоятельств черепаха оказалась дочерью повелителя морей. В награду за доброту Урасиме было позволено спуститься в подводный дворец Рюгу и провести там три дня с принцессой в человеческом обличье. Однако, вернувшись домой, Урасима обнаружил, что на самом деле он отсутствовал 300 лет. В смятении он открыл подаренную принцессой шкатулку. Из нее вырвалось облако дыма и окутало рыбака. Когда дым рассеялся, Урасима стал ветхим стариком – в шкатулке был его истинный возраст.

«Хаябуса-2» и «ОСИРИС-Рекс» вернутся на Землю в 2020 и 2023 гг. соответственно. Исследователи надеются, что, подобно шкатулке из Рюгу, в которой заключалась жизнь Урасимы, собранные образцы помогут нам разгадать секрет зарождения жизни на Земле.

Вторая часть. Опасные планеты

Глава 5
Планета, которой не может быть

Открытие 51 Пегаса b имело не самые приятные последствия для теорий образования планет.

Когда в 1995 г. она была провозглашена первой известной нам планетой, обращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, это не только положило начало новой эре открытий, но и нанесло удар по тогдашним планетологическим представлениям.

По правде говоря, 51 Пегаса b не была первой экзопланетой, открытой астрономами. Примерно за пять лет до ее обнаружения была найдена планета, обращающаяся вокруг останков мертвой звезды, называемой пульсаром. Но пульсар – это все-таки далеко не Солнце, так что доводов в пользу того, что такая планетная система не может походить на нашу, было хоть отбавляй. В случае с 51 Пегаса b найти аргументы против сопоставления было уже труднее: эта планета обращалась вокруг звезды, похожей на Солнце, но при этом совершенно не там, где следовало.

51 Пегаса b – газовый гигант. Ее масса как минимум вполовину меньше массы Юпитера, то есть она в 150 раз тяжелее Земли. При этом она располагается настолько близко к своей звезде, что год на 51 Пегаса b пролетает с головокружительной быстротой – за 4,2 земных суток. Для сравнения: даже Меркурию, ближайшей к Солнцу планете, требуется 88 дней, чтобы совершить полный оборот вокруг нашего светила, а период обращения Юпитера и вовсе составляет 12 полных земных лет.

Столь значительные отличия от Солнечной системы не согласуются с обеими основными теориями образования газовых гигантов, ведь согласно им формирование такой планеты должно проходить на большом расстоянии от звезды.

Чтобы набрать достаточную массу для захвата характерной для газового гиганта колоссальной атмосферы, планета должна формироваться за снеговой линией, где она будет увеличиваться в объеме за счет замерзших льдов. При этом она должна располагаться настолько далеко от звезды, чтобы во власти ее гравитации была достаточно большая область, обеспечивающая доступ к большому количеству планетезималей (в терминах главы 2, ее сфера Хилла должна быть большой). При формировании в результате неустойчивости диска планета должна располагаться еще дальше – за снеговой линией. Но 51 Пегаса b находилась так близко к своему светилу, что не просто не могла стать газовым гигантов. Более того, в условиях высоких температур, неизбежных при таком расположении, образование массивного твердого тела невозможно в принципе.

Еще более усугубило ситуацию то, что, как оказалось, 51 Пегаса b не была единичной аномалией. По мере того как число выявленных экзопланет росло, среди них обнаруживались все новые газовые гиганты, прижавшиеся к своим звездам.

Справедливости ради отметим, что практиковавшиеся методы наблюдения были нацелены скорее на обнаружение как раз таких горячих юпитеров, чем планет, похожих на Землю. В силу своей массивности и близости к звезде эти огромные миры вызывают максимальные колебания ее лучевой скорости. При коротком периоде обращения они напоминают о своем существовании каждые несколько дней. То есть горячие юпитеры стали легкой добычей для охотников за экзопланетами. Однако признание этого факта не означает, что они не существуют. Позже было подсчитано, что приблизительно 1 % звезд соседствуют с собственным горячим юпитером. Теория образования планет без них невозможна.

Логически объяснить их существование можно было только одним способом: если такая планета не могла сформироваться там, где она находилась, она должна была появиться на свет в другом месте, дальше от звезды, а затем переместиться в текущее местоположение.

Предположение о том, что орбиты планет могут изменяться, не было новым. Такая гипотеза выдвигалась еще в 1980-е годы. Впрочем, ее сразу отвергли: если причины, по которым планета может начать смещаться, еще были понятны, то объяснить, что может заставить ее остановиться, было невозможно.

Планетная миграция происходит, когда гравитация растущей планеты начинает все сильнее притягивать окружающий газ из протопланетного диска. Газ сопротивляется. При этом газ внутри орбиты, вращающийся быстрее, тянет планету вперед, а газ с внешней стороны орбиты, находящийся дальше в диске и вращающийся медленнее, влечет ее назад, тормозя движение. Поскольку планета не испытывает воздействие давления газа, газ в непосредственной близости от ее поверхности также становится фактором замедления. В результате тяга в обратном направлении оказывается сильнее, планета теряет энергию и перемещается ближе к звезде.

Мы упоминали это движение в главе 4, когда рассматривали процесс формирования газовых гигантов. Прочесывание протопланетного диска обеспечивает быстрый рост за счет слипания с планетезималями. Но, к сожалению, для планеты все может закончиться весьма печально.

Расчеты скорости миграции планеты к центру системы приводят к неутешительному выводу: уже через 100 000 лет зародыш газового гиганта, начавший миграцию оттуда, где сейчас находится Юпитер, ждет гибель при столкновении со звездой. Это намного меньше, чем время, которое требуется, чтобы диск рассеялся, и планета перестала замедляться из-за сопротивления газа. Как только планета достигает размеров Марса, ее гравитации уже достаточно для начала миграции, что ставит под сомнение саму возможность формирования планет.

Это уже второй раз, когда из-за сопротивления газа будущие новые миры на конвейере фабрики планет почти брошены в пекло звезды. В первый раз жертвами были некрупные планетезимали, имеющие дело с сопротивлением движущегося с меньшей скоростью газа. Когда планетезимали вырастают в зародыши планет, это сопротивление перестает влиять на их более массивные тела. Но по мере дальнейшего увеличения массы и превращения небесного тела в маленькую планету, его гравитация начинает притягивать газ, и вновь возникают пугающе мощные силы торможения.

Поначалу идея миграции планет была отвергнута, поскольку противоречила очевидному факту существования нашей Солнечной системы. Но с открытием горячих юпитеров у нее появился второй шанс. Однако могла ли планета, начав мигрировать, остановиться и не быть поглощенной звездой?

Если сопротивление газа приводит к изменению орбиты планеты, то притяжение планеты делает то же самое с газом. Газ, движущийся с меньшей скоростью, получает ускорение и выталкивается вовне, тогда как газ, движущийся с большой скоростью, замедляется и направляется по спирали вниз. В итоге газ покидает пространство вокруг планеты. При небольшом размере планеты место перемещенного материала занимает свежий газ, однако в какой-то момент гравитация планеты становится такой сильной, что она выталкивает весь газ, создавая разрыв в протопланетном диске.

Как было показано в главе 3, этот процесс довершает формирование газового гиганта: молодая планета стремительно растет, мигрируя во все новые скопления планетезималей. Когда масса достигает значения, достаточного для возникновения разрыва в диске под действием гравитации, планета оказывается в среде с малой плотностью, и рост атмосферы прекращается.

С вытеснением газа из пространства вокруг планет создаваемое им сопротивление может полностью исчезнуть. Однако дисковый газ также не остается на месте, смещаясь к центру в процессе аккреции на звезду. В результате разрыв заполняется извне новой порцией газа, который продолжает тянуть планету назад, пока не оказывается вновь вытолкнутым наружу. Таким образом, на планету по-прежнему воздействует сила, которая тянет ее к центру, но уже намного слабее. При достаточном замедлении планета может просуществовать до того момента, когда газовый диск рассеется и перестанет воздействовать на нее.

Движение планеты до образования разрыва называют миграцией первого рода, которая переходит в миграцию второго рода, после того как планета пробивает брешь в диске. Однако из-за большой скорости миграции первого рода планеты рискуют не дожить до перехода в спокойный режим движения при миграции второго рода.

Вопрос о механизме остановки миграции первого рода остается открытым. Согласно одной гипотезе, движущаяся по спирали вниз планета превращается в бульдозер, который аккумулирует газ внутри своей орбиты. В результате увеличивается объем быстрого внутреннего газа, который тянет планету вперед, помогая ей преодолеть сопротивление газа, движущегося с меньшей скоростью. Внезапные толчки и изменения в газе, такие, например, как на снеговой линии, также могут влиять на величину силы, с которой газ тянет планету в разных направлениях, выступая в роли своего рода планетных «ловушек» и останавливая миграцию. То есть все, что может повлиять на поток газа в области диска, может также повлиять на скорость миграции первого рода.

Если горячие юпитеры оказались там, где они находятся сейчас, в результате миграции, то, значит, потенциально она может быть фактором процесса формировании планет. Правда, в этом случае этот процесс превращается в рискованную игру с непонятным исходом. Учитывая близость наблюдаемых нами горячих юпитеров к звезде и допуская, что их движение по спирали вниз прекратилось в результате рассеивания газового диска, мы должны признать, что этим планетам просто очень повезло. Или они остановились на внутренней границе диска, пересекая которую любой материал улетучивается или срастается со звездой в результате аккреции.

Гипотеза миграции объясняет формирование горячих юпитеров, однако противоречит тому, что мы знаем о Солнечной системе.

Проблемный Марс

Если нынешнее положение горячих юпитеров объясняется их миграцией, перед нами встает очевидный вопрос: почему та же судьба не постигла планеты Солнечной системы?

Возможность перемещения планет земной группы в результате миграции вызывает споры. Формирование Земли и ее соседей проходило медленнее, а значит, их масса могла оставаться ниже значения, необходимого для начала миграции, вплоть до момента испарения газа. Согласно еще одному сценарию, наши каменистые миры могла удерживать на их местах одна из упомянутых выше планетных ловушек.

С газовыми гигантами дело обстоит сложнее. Аккумулировать такую атмосферу, как у них, можно только при высоком темпе формирования планеты. Поэтому в их случае могли происходить миграции обоих типов. Даже если бы миграция первого рода замедлилась или остановилась, из-за колоссальной массы мог образоваться газовый разрыв, обеспечивающий начало миграции второго рода, то есть планета продолжила бы смещаться к Солнцу.

Также есть основания полагать, что орбитальное движение все-таки принимало участие в процессе формирования наших планет, по крайней мере в небольшом объеме. Например, газовые гиганты могут быстрее набрать массу за счет миграции в диске. Там, где находятся сейчас Уран, Нептун и пояс Койпера, могло просто не быть достаточного количества материала для образования этих объектов – они могли переместиться туда из более насыщенной веществом области. Но если миграция действительно происходила, тогда что заставило Юпитер остановиться, что не дало ему пронестись по внутренней части Солнечной системы, разрушая все на своем пути, включая Землю?

Не исключено, что события развивались именно по этому сценарию. Ключом к пониманию устрашающего прошлого является Марс. Эту планету назвали в честь древнеримского бога войны, но на самом деле она маленькая и субтильная. Она настолько крохотная, что ее размер стал камнем преткновения для теорий образования планет.

Чем дальше мы удаляемся от Солнца в пределах внутренней области Солнечной системы, переходя от Меркурия к Венере, Земле и Марсу, тем слабее притяжение солнечной гравитации. Благодаря этому область влияния собственной гравитации планеты (ее сфера Хилла) расширяется, что позволяет ей в процессе формирования захватывать каменистые небесные тела с более обширного участка. Увеличение зоны питания должно неизменно приводить к увеличению размера планеты. Поэтому мы должны наблюдать увеличение масс планет, пока не доберемся до Юпитера, чудовищная гравитация которого начинает мешать процессу формирования планет, способствуя образованию пояса астероидов.

Эта логика работает, пока мы не миновали Землю. По идее, Марс должен быть сильно увеличенной версией нашей родной планеты, но на деле его масса в десять раз меньше. Даже если допустить, что при приближении к снеговой линии плотность протопланетного диска постепенно снижается, масса Марса должна составлять от половины до полной массы Земли. Более того, пояс астероидов также должен быть массивнее. Он должен быть наполнен зародышами планет размером с Марс. Однако самый крупный объект в нем – это Церера, которая приблизительно в 100 раз легче Марса.

Чтобы разрешить этот парадокс, достаточно предположить, что за пределами нынешней орбиты Земли концентрация планетезималей была значительно ниже. В отсутствие планетообразующего вещества Марсу и поясу астероидов пришлось довольствоваться их скромными размерами. Но что должно было произойти, чтобы запасы каменистых тел в окрестностях Марса так истощились?

Когда нужно отыскать недостающую массу, подозрение сразу падает на самую крупную и массивную планету в Солнечной системе – Юпитер. Мог ли Юпитер за свою бурную историю сначала отправиться во внутреннюю область Солнечной системы, собирая или рассеивая планетезимали, а затем мигрировать назад, туда, где он находится сейчас?

Эта идея получила воплощение в модели смены галса. Своим названием она обязана маневру, выполняемому парусником, чтобы изменить направление его движения на противоположное. Отправная точка этой модели – формирование Юпитера в протопланетном диске. С увеличением гравитации Юпитера, растущего и все сильнее притягивающего окружающий газ, начинается миграция молодой планеты к Солнцу. Изменение орбиты позволяет растущей планете быстро собирать большое количество планетезималей. Наконец ее масса достигает значения, при котором возникает разрыв в газе. Скорость перемещения Юпитера снижается. Начинается миграция второго рода. Но при этом орбита планеты продолжает сужаться. Часть встречающихся ему на пути планетезималей Юпитер увлекает за собой, заставляя их двигаться по спирали вниз. Другую часть он рассеивает в обратном направлении. В конце подобного сценария планета могла бы стать горячим юпитером. Но тут появляется Сатурн.

Находясь ближе к внешнему краю протопланетного диска, Сатурн формировался медленнее старшего брата. Сатурн – вторая по величине планета Солнечной системы, при этом его масса не превышает трети массы Юпитера. Из-за меньшего веса разрыв в газе вокруг Сатурна был неполным, поэтому скорость миграции была высокой, и Сатурн быстро догнал движущийся по спирали вниз Юпитер.

С сокращением расстояния между планетами уменьшалась и разница между периодами их обращения. В итоге Сатурн занял орбиту, на которой он совершает ровно два оборота вокруг Солнца за то же самое время, за которое Юпитер совершает три оборота. Это соотношение называют орбитальным резонансом. В данном случае он составил 2:3 и разорвать его очень трудно.

Чтобы понять, что делает резонанс настолько стабильным, давайте возьмем в качестве примера две планеты с орбитальным резонансом 1:2. Эти две планеты – Сатурн и Юпитер: первый успевает облететь Солнце дважды, пока второй совершает один полный оборот. При движении по первой половине орбиты Сатурн находится позади Юпитера, и гравитация более крупной планеты тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн оказывается впереди Юпитера, и тот его тянет назад. Таким образом, силы уравновешивают друг друга, и планеты продолжают лететь вокруг Солнца по своим орбитам. Но стоит двум планетам чуть приблизиться друг к другу, как баланс тут же нарушается. Тогда на Сатурн начинает действовать сила, которая тянет его наружу, заставляя планету ускоряться. В итоге Сатурн снова возвращается на резонансную орбиту. Между планетами с другими орбитальными резонансами (например, 2:3 или 1:4) поддерживается точно такой же баланс.

В силу своей стабильности резонансные орбиты не редкость в планетных системах. Например, пока Плутон совершает один оборот вокруг Солнца, Нептун облетает звезду три раза. Спутники Ганимед, Европа и Ио обращаются вокруг Юпитера в резонансе 1:2:4.

Когда Юпитер и Сатурн достигают резонанса 2:3, в результате сближения разрыв вокруг Юпитера и частичный разрыв вокруг Сатурна пересекаются. Юпитер перестает подвергаться воздействию газа с внешней стороны орбиты, и его продолжает тянуть только газ внутри орбиты, который движется с большей скоростью. Что касается Сатурна, он вынужден преодолевать сопротивление газа с внешней стороны орбиты. В результате Сатурн стремится мигрировать по спирали вниз, а Юпитер – вверх. Учитывая, что они движутся по резонансным орбитам, при попытке проследовать мимо друг друга планеты отталкиваются. В этом противостоянии побеждает сильнейший, то есть Юпитер с его более мощной гравитацией. Обе планеты мигрируют к краю Солнечной системы, поглощая на своем пути планетезимали в диске как раз там, где позже будет формироваться Марс.

По возвращении во внешнюю часть Солнечной системы пара планет рассеивает планетезимали, занявшие их прежние места. Выталкиваемые ими каменистые небесные тела покрыты толстым слоем льда, так как их формирование проходило в этой области, за снеговой линией. Они разлетаются во всех направлениях. При этом некоторая их часть заканчивает свой путь в поясе астероидов, превращаясь в богатые водой астероиды класса C. Другие следуют дальше и, возможно, сталкиваются с только что сформировавшейся Землей, обеспечивая водой ее океаны.

Маневр Юпитера и Сатурна также остановил смещение Урана и Нептуна по направлению к Солнцу. После формирования и начала миграции газовые гиганты меньшего размера также рискуют оказаться в ловушке резонансных орбит. Из-за этого планетам очень трудно проскальзывать мимо своих более крупных собратьев и продолжать движение к Солнцу.

Модель смены галса была предложена астрономами Кевином Уолшем и Алессандро Морбиделли в 2011 в г. в статье в журнале Nature. Убедившись в том, что модель смены галса успешно отображает и маленький размер Марса, и астероиды, Морбиделли зашел в кабинет Уолша и признался, что накануне вечером он погрозил пальцем планете-гиганту и сказал: «Юпитер! Я знаю, что ты натворил!»

Когда Юпитер и Сатурн приблизились к своим нынешним орбитам, протопланетный диск рассеялся. Наконец наступил момент, когда сопротивление газа движению планет прекратилось. Но картина образования Солнечной системы не будет полной без еще одной рокировки.

Мы до сих пор не уверены в том, что именно спровоцировало этот беспорядок. Существует две основные гипотезы: модель Ниццы (само название отсылает к голливудским блокбастерам) и модель Ниццы II. Согласно обоим сценариям, причиной хаоса стали отходы фабрики планет.

Сразу за газовыми гигантами начинается море сохранившихся планетезималей. Эти остатки проследовали по краям планетных орбит, сумев избежать как поглощения, так и изгнания из Солнечной системы. В модели Ниццы с исчезновением сопротивления газа притяжение, создаваемое гравитацией планет-гигантов, считается доминирующей силой, вызвавшей проникновение каменистых небесных тел внутрь их орбит.

Под воздействием мощной гравитации газовых гигантов близлежащие планетезимали быстро набирали скорость. Огромная планета не могла их захватить – они двигались слишком быстро и в результате оказывались выброшенными далеко за пределы данной области. Подобно стрелку, ощущающему отдачу при стрельбе из огнестрельного оружия, при выталкивании планетезимали планета получала толчок в обратном направлении. Каждый такой толчок отдачи не оказывал особого влияния на газового гиганта, но с учетом количества рассеиваемых планетезималей это могло в итоге привести даже к изменению орбиты планеты. Такой новый вид движения называют миграцией, обусловленной планетезималями.

Учитывая трудности, которые возникают при попытке объяснить формирование Урана и Нептуна на их нынешних орбитах, высказывается предположение, что в момент рассеивания протопланетного диска эти две планеты были намного ближе друг к другу. И если Юпитер мог оставаться на расстоянии 5 а.е., то Нептун должен был находиться не в 30, а 15 а.е. от Солнца. В промежутке между этими двумя планетами должны были располагаться Сатурн и Уран. В процессе рассеивания планетезималей тесный союз планет должен был распасться, то есть расстояния между ними должны были увеличиться.

В результате расхождения орбит Юпитер и Сатурн вошли во второй орбитальный резонанс. Однако на этот раз планеты не были сцеплены резонансом. Если при сближении планеты могут заставить друг друга поддерживать резонансные орбиты, то остановить друг друга при расхождении они не в состоянии. При прохождении резонанса Юпитер и Сатурн испытали гравитационный толчок, который изменил орбиты планет, сделав их более эллиптичными.

Двигаясь по измененным орбитам, две самые большие планеты переместились ближе к Урану и Нептуну, и две меньшие планеты оказались вытолкнуты вовне и вклинились в скопление планетезималей на краю системы. Результатом стало массовое рассеивание каменистых тел, которые разлетелись по всей Солнечной системе. Одни были вытеснены на окраину, образовав пояс Койпера; другие бомбардировали внутренние планеты; третьи совсем покинули область планет, найдя пристанище в облаке Оорта.

Модель Ниццы получила название в честь города, в котором была сформулирована эта идея. В модели Ниццы II аналогичный сценарий был предложен для области между остатками планетезималей на краю системы и газовыми гигантами. Согласно этой версии, планетезималям не нужно было проникать внутрь и рассеиваться. Гравитационного притяжения поля каменистых обломков было достаточно, чтобы нарушить резонансы между газовыми гигантами и спровоцировать хаос. При кажущейся умозрительности этих моделей, доказательства масштабного рассеивания небесных тел можно найти на поверхности Луны. Обследование лунных кратеров говорит о резком всплеске метеоритной активности 700 млн лет назад.

После рассеивания планетезималей планеты-гиганты наконец заняли постоянные орбиты. Уран и Нептун расположились там, где они находятся сейчас, – на большем удалении, в окружении моря планетезималей, вытолкнутых движением Нептуна и образовавших пояс Койпера.