Кометы. Странники Солнечной системы - Леонид Владимирович Еленин

единиц! Так почему же астрономы решили, что короткопериодические кометы приходят внутрь Солнечной системы именно из рассеянного диска?

Эволюция Солнечной системы

Конечно, даже через самые мощные оптические телескопы мы не можем получить прямого изображения этих объектов и понять, какие из них являются «спящими» кометами. Здесь на помощь астрономам пришли математики. Они смоделировали гравитационную задачу N-тел и сделали вывод, что объекты классического пояса Койпера намного более стабильны на своих орбитах, и если бы источником комет был он, то мы бы наблюдали значительно меньше короткопериодических комет семейства Юпитера, чем есть на самом деле. А вот объекты рассеянного диска, напротив, находятся на нестабильных сильно наклоненных орбитах и их легко вывести из равновесия, отправив как в сторону Солнца, так и к облаку Оорта или даже прочь из Солнечной системы. Численное моделирование таких процессов хорошо согласуется с наблюдательными данными. Безусловно нельзя однозначно говорить, что если мы наблюдаем короткопериодическую комету, то ее родной дом – рассеянный диск. Теоретически переход на подобные типы орбит возможен при определенных обстоятельствах и для комет из облака Оорта. К примеру, ученые пока так и не смогли однозначно ответить на вопрос, откуда изначально прилетела самая известная из комет – Галлея. Вычисления говорят о том, что теоретически ее домом могли быть обе области, населенные ледяными телами. Эта комета, как никакая другая, внесла неоценимый вклад в понимание человеком кометной природы, и мы обязательно к ней не раз еще вернемся. Итак, за несколько десятилетий человечество поняло, откуда берутся кометы и где их дом – это и далекое облако Оорта, и рассеянный диск. Но как они там оказались изначально? На этот вопрос астрономы постарались ответить уже в начале XXI века.

Модель Ниццы – научный триптих о сценарии динамической эволюции Солнечной системы, опубликованный в 2005 году в престижнейшем журнале Nature. Его авторы – Родни Гомес, Харольд Левисон, Алессандро Морбиделли и Клеоменис Циганис – попытались математически описать сценарий развития Солнечной системы из протопланетного диска до того состояния и конфигурации, которую мы наблюдаем теперь. Да, безусловно, подобные работы проводились и в прошлом, но обычно они описывали разрозненные структуры на конечных временны́х интервалах, не пытаясь создать общую и неразрывную модель. Для этого были необходимы большие вычислительные мощности, которые лишь сравнительно недавно появились в распоряжении ученых. Работа началась в обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция), отсюда и такое странное название опубликованной модели. Но давайте уже перейдем к тому, о чем нам поведали результаты расчетов.

Первый и самый важный вывод: планеты-гиганты интенсивно мигрировали. Это во многом и повлияло на формирование нынешнего облика Солнечной системы. После рассеивания протопланетного диска сформировавшиеся планеты-гиганты находились на почти круговых орбитах, намного ближе к Солнцу, чем теперь, – на расстоянии от 5,5 до 17 астрономических единиц (напомню, что сейчас большие полуоси орбит гигантов лежат в пределах от 5,2 до 30,1 астрономической единицы). За орбитой крайней планеты простирался достаточно плотный диск из неиспользованного материала – каменных и ледяных планетезималей[13] общей массой до тридцати пяти масс Земли. Для сравнения можно привести текущие оценки массы современного пояса Койпера: от 1/10 до 1/25, а по некоторым оценкам даже до 1/50 массы нашей планеты. Так что тот диск был не чета нынешнему, но что же с ним произошло?

Как я уже писал, главным процессом динамической эволюции молодой Солнечной системы была миграция планет-гигантов. Конечно, мы не можем точно определить ее физические причины, но есть достаточно достоверное обоснование, которое и легло в основу модели Ниццы. Постараюсь описать этот процесс максимально просто. Помимо массивного пояса планетезималей, расположенного на периферии нашей молодой планетной системы, их достаточно крупная популяция присутствовала и в той области, где сформировались планеты-гиганты. Безусловно в таком хаосе происходили постоянные тесные сближения этих малых объектов с планетами. Хотя каменные и ледяные глыбы не знали третьего закона Ньютона, того самого, где «каждому действию всегда есть равное и противоположное противодействие», но физику не обманешь: три внешних газовых гиганта выталкивали сближающиеся с ними планетезимали внутрь Солнечной системы, а сами получали практически незаметный импульс в противоположном направлении. Подобных сближений, а по сути – гравитационных маневров, было очень много и «вода точила камень…». Сатурн, Уран и Нептун очень медленно мигрировали во внешние области нашей системы, все дальше от Солнца. Напротив, Юпитер, находившийся у внутренней границы этой области, выталкивал планетезимали вовне, в том числе и прочь из Солнечной системы, если мог передать необходимый импульс, и планетезималь, превысив третью космическую скорость[14], становилась межзвездным скитальцем. При этом, как вы уже догадались, сама планета двигалась в противоположную сторону – внутрь Солнечной системы.

Через несколько миллионов лет своего медленного движения в разных направлениях, Юпитер и Сатурн приходят к резонансу 1:2, то есть на одно обращение вокруг барицентра Солнечной системы первого гиганта приходится два обращения второго. В моменты соединения, когда обе планеты оказывались на одной линии с Солнцем (пренебрежем небольшим наклонением их орбит), оба гиганта, как два мощных борца сумо, пытались вытолкнуть друг друга, но силы были неравны, ведь Юпитер более чем втрое превосходит Сатурн в массе. Подобные резонансы – это сильные «генераторы» орбитальных нестабильностей и, безусловно, это не могло не сказаться на дальнейшей эволюции всей нашей звездной системы – она буквально пошла вразнос. Юпитер вытолкнул Сатурн на ту орбиту, где тот находится и по сей день, а тот, по известному всем принципу домино, начал выталкивать Уран и Нептун, которые, в свою очередь, перемещаясь все дальше от Солнца, начали гравитационно возмущать первичный диск планетезималей. В результате этого космического кегельбана конфигурация Солнечной системы стала похожей на ту, что мы наблюдаем в нашу эпоху, а плотный планетезимальный диск потерял около 99 % своей первоначальной массы. В ту пору трудно пришлось и планетам земной группы – часть планетезималей были выброшены не вовне, а наоборот, внутрь Солнечной системы – это была легендарная Поздняя тяжелая бомбардировка.

По модели Ниццы, в период с 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, Солнечная система представляла собой разворошенный улей. Повсюду летали планетезимали, непрерывно сталкиваясь со всем, что оказывалось у них на пути. В 1970-х, когда ученые пристально изучали лунный грунт, доставленный на Землю экспедициями «Аполлон»-15, -16 и -17, они обнаружили аномалию, относящуюся к тому геологическому периоду – оплавленную породу, причем произойти это столкновение должно было в достаточно узком интервале времени.

Детективный след в деле о Поздней тяжелой бомбардировке продолжал раскручиваться. В образцах метеоритов, местом происхождения которых была обратная сторона Луны, также обнаружились следы ударных расплавов. И, что интересно, пока не было найдено ни одного