среда, 9 ноября 2016 г.

1-я Книга Федора. Файл 7-Е. "Уникальна ли наша Земля?"


    Терпение и труд

    «Как открывают внесолнечные планеты? Прежде всего – благодаря труду и терпению, древний рецепт. Всякая достаточно большая или достаточно близкая к своей звезде планета оказывает небольшое гравитационное воздействие на эту звезду, и если звезда движется в пространстве по некой траектории, а планета благодаря обращению по орбите оказывается то справа, то слева от этой траектории, наблюдения покажут, что звезда периодически отклоняется от прямолинейного пути то слегка направо, то слегка налево. Эти «покачивания» можно, в принципе, обнаружить, нужны только сильный телескоп, большое терпение и огромный труд.

Экзопланеты: мир иных миров
    Как можно их обнаружить? Разумеется, косвенно. За счет таких покачиваний летящая мимо нас звезда то чуть приближается к нам, то чуть удаляется, фи это приводит к небольшому изменению ее цвета (частоты излучаемого ею света) – подобно тому, как высота звука поездного гудка меняется при приближении к станции и удалении от нее (эффект Доплера). Измерив этот сдвиг, можно определить, с какой скоростью звезда в своих покачиваниях движется «на нас» и «от нас», а отсюда уже – вычислить, какова масса и расстояние того невидимого тела (планеты), которое эти покачивания вызывает. А почему «можно, в принципе, обнаружить», а не просто «можно обнаружить»? Потому что звезды очень далеко, эти их покачивания очень малы, а земные телескопы имеют предел разрешения. Вот наглядный пример. Первой внесолнечной («экзо-») планетой, обнаруженной благодаря таким периодическим отклонениям некоторой звезды от ее траектории, был спутник солнцеподобной звезды под номером 51 в созвездии Пегаса. Он был обнаружен в 1995 году и оказался огромным газовым гигантом, вроде нашего Юпитера, очень близким к своей звезде – намного ближе, чем наш Меркурий к Солнцу. И вот смотрите: несмотря на огромную массу этой планеты и ее чудовищную близость к своей звезде, вызываемая ею скорость отклонения звезды составила всего 50 метров в секунду, то есть меньше одной тысячной от скорости движения звезды по ее траектории. Легко представить себе, как трудно уловить такое воистину «волосяное» отклонение, да еще на расстоянии в 51 световой год.

Внесолнечные планеты
Неслучайно метод «покачиваний» оказался пригодным исключительно для поиска планет около близких к нам звезд. На дальних расстояниях его сменил метод «транзита», или «прохождения», то есть поиск таких планет, которые проходят перед диском своей звезды, находясь при этом на прямой, соединяющей эту звезду и наше Солнце. В такой (довольно редкой, увы) ситуации планета на всем пути через диск звезды будет слегка затемнять ее излучение, и с помощью весьма чувствительных фотометров этот спад яркости можно, в принципе, обнаружить. Этот метод приносит меньше информации о планете (в основном, о ее размерах и расстоянии до звезды), чем метод покачиваний (который позволяет определить также массу планеты), но зато позволяет заглянуть дальше в космос. Вот почему на счету прежнего метода сотни планет, а на счету метода «транзита», которым пользуется специальный космический зонд «Кеплер», – более 3000 планет и «кандидатов в планеты».

This artist's concept shows NASA's Kepler Space Telescope on its K2 mission. In July 2016, an international team of astronomers announced they had discovered more than 100 new planets using this telescope. The batch includes four planets in the size range of Earth that are orbiting a single dwarf star, depicted in this illustration.
Two of these planets are too hot to support life as we know it, but two are in the star's "habitable" zone, where liquid water could exist on the surface. These small, rocky worlds are far closer to their star than Mercury is to our sun. But because the star is smaller and cooler than ours, its habitable zone is much closer. One of the two planets in the habitable zone, K2-72c, has a "year" about 15 Earth-days long -- the time it takes to complete one orbit. This closer planet is likely about 10 percent warmer than Earth. The slightly more distant planet in the habitable zone, K2-72e, has a year lasting 24 Earth days, and would be about 6 percent colder than Earth.
NASA Ames manages the Kepler and K2 missions for NASA's Science Mission Directorate. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corporation operates the flight system with support from the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado at Boulder. (Image Credit: NASA/JPL-CaltechImage Addition Date: 2016-07-18)
    Так вот, несколько лет назад группа астрономов из Женевского университета сообщила в журнале «Nature» об открытии – методом «покачиваний» – еще одной внесолнечной планеты. Но не просто «еще одной», а весьма незаурядной, ибо эта планета находится не где-нибудь в космической дали, а в самой что ни на есть ближайшей к нам звездной системе – Альфа Центавра! Не в полусотне световых лет от нас, как 51-я Пегаса, а, так сказать, рукой подать, каких-нибудь 4,37 светового года. Как сказал один из комментаторов – в пределах звонка по сотовому телефону, разве что придется долго ждать ответа, почти девять лет. У некоторых журналистов это немедленно вызвало прилив энтузиазма, и они тут же заговорили о возможности послать туда межзвездный корабль, благо проекты такового уже разрабатываются.
    Однако заметим прежде всего, что новое открытие представляет собой замечательную иллюстрацию сказанного выше о труде и терпении. Хотя Альфа Центавра в 11 с лишним раз ближе к нам, чем 51-я Пегаса, скорость покачиваний, вызванных новонайденной планетой, оказалась в 100 раз меньше, чем там, – всего 9 сантиметров в секунду, то есть на пределе чувствительности самых совершенных нынешних спектрографов! Чтобы обнаружить эту микроскопическую добавку к собственной скорости звезды, астрономам пришлось измерять эту скорость трижды за ночь каждую ночь на протяжении трех лет подряд!
    Планета, как можно было догадаться уже по ничтожности вызванных ею покачиваний, оказалась очень небольшой – подлинный двойник Земли. Ее масса составляет 113% земной, а период обращения вокруг звезды – чуть больше трех суток. Так что энтузиазм явно был преждевременным – этот малый период означает, что планета находится очень близко к своей звезде. И действительно, расстояние между ними – всего 6 миллионов километров, то есть она в 25 раз ближе к свой звезде, чем Земля к Солнцу, и в десять раз ближе, чем Меркурий. Зная яркость звезды, ученые уже подсчитали, что на таком расстоянии температура на поверхности планеты должна быть порядка 1500 градусов. Иными словами, это прокаленный до самых глубин безжизненный скалистый шар.
    Тем не менее есть еще надежда, что в этой системе может существовать и более далекая от звезды планета, находящаяся в «поясе обитаемости», где температурные условия пригодны для жизни. Дело в том, что Альфа Центавра  – система, состоящая из трех звезд. Самая маленькая из них, Проксима, обращается вокруг двух звезд побольше, А и В, находясь на огромном расстоянии от них, и около нее никакие планеты не обнаружены. Это небольшая тусклая звездочка, единственная заслуга которой в том, что она – ближайшая к нам звезда в космосе (ее расстояние от Солнца составляет 4,24 светового года). Звезды Альфа Центавра А и В – поинтересней. Обе они солнцеподобны, то есть их параметры близки к солнечным (правда, звезда В излучает вдвое меньше Солнца), и они обращаются вокруг общего центра тяжести (совершая один полный оборот примерно за 80 лет), причем орбиты их так причудливы, что временами они удаляются друг от друга, как Плутон от Солнца, временами сближаются, как Солнце и Сатурн. Новообнаруженная планета принадлежит звезде В.


    Расчеты ученых уже показали, что при таком сближении двух звезд ни одна планета, находящаяся от любой из них на расстоянии одной астрономической единицы (как Земля от Солнца) или больше, удержаться на орбите не сможет – танец этих двух звезд так исказит ее орбиту, что эта планета вылетит из системы. Но более близкие орбиты могут оказаться устойчивыми. А так как звезда В вдвое тусклее Солнца, то ее «пояс обитаемости» проходит вдвое ближе к ней. Это означает, что устойчивая планета вполне может оказаться и в «поясе обитаемости». Но, находясь от звезды дальше, чем новооткрытая планета, она, понятно, будет вызывать еще меньшие покачивания, лежащие уже за пределами чувствительности нынешних приборов. Поэтому, даже если такая землеподобная планета и существует, обнаружить ее еще вчера было нельзя.
    Надо, однако, сказать, что и завтра, когда будут созданы более чувствительные приборы, вероятность найти в этой ближайшей к нам звездной системе еще одну землеподобную планету останется очень малой. И тут самое время развеять одно устойчивое заблуждение касательно землеподобных планет вообще. Это заблуждение сложилось на ранних этапах поиска экзопланет. В течение первых двух десятилетий, пока еще не начались исследования «Кеплера», количество открытых экзопланет исчислялось десятками, статистика была невелика, и возникло впечатление, что имеет место замечательная закономерность: чем дольше поиски, тем больше обнаруживается планет с малой массой. Отсюда следовало, что больше всего во Вселенной планет, похожих на Землю, Венеру или Марс, то есть в принципе пригодных для жизни. Это убеждение до сих пор встречается в некоторых публикациях.
    На самом деле оно неверно. Еще когда зонд «Кеплер» «выловил» в космосе три с лишним тысячи «кандидатов в экзопланеты», оказалось возможным выявить истинную статистику. Обзор этих данных сделал 15 октября 2012 года руководитель поиска Уильям Боруцкий на пленарной сессии Американского астрономического общества в Неваде. Увы, среди всех этих трех тысяч возможных экзопланет не нашлось ни одной в точном смысле слова «землеподобной», то есть имеющей размеры Земли и одновременно находящейся в «поясе обитаемости» своей звезды. Ни одной! Из этого следует, что планеты размером с нашу Землю, вопреки прежним представлениям, являются, видимо, очень редкими в космосе. По словам Боруцкого, не более 10–15% солнцеподобных звезд могут иметь такие планеты – возможно, в силу каких-то трудностей их формирования или (как, например, в системе Альфа Центавра) устойчивого существования. Правда, среди тех же трех с лишним тысяч «кандидатов» нашлось 5 так называемых «суперземель» (планет, которые в 2-3 раза больше Земли по массе и радиусу), но последние теоретические расчеты показали, что физические параметры суперземель, в силу их большей массы, скорее всего, исключают возможность появления жизни на них.
    Вот и еще меньше места для оптимизма». («Знание - Сила» № 10 / 2016).

    Уникальна ли наша Земля?

    «Наблюдения последних десятилетий, проведенные с помощью телескопа Кеплер и других, обнаружили в космосе почти полторы тысячи планетных систем. Сначала были открыты большие, массивные газовые планеты типа Юпитера, в большинстве своем обращающиеся очень близко к своим звездам, затем были найдены так называемые «супер-Земли», то есть скальные планеты размером и массой в несколько Земель, а потом – и вполне землеподобные планеты. Обилие этих находок вызвало эйфорию – появились статистические подсчеты, приводившие к выводу, что число землеподобных планет в одной лишь нашей галактике должно исчисляться миллионами.
    Однако чрезмерная радость вскоре уступила место более сдержанным эмоциям, когда один за другим начали появляться теоретические расчеты, показывающие, что возникновение и существование жизни требует выполнения куда большего числа требований, чем думалось раньше - например, тому же Ф. Дрейку, некогда составившему «уравнение», учитывавшее все известные на ту пору условия появления землеподобной жизни. Сегодня такое уравнение было бы намного длиннее, потому что в числе таких условий оказалось бы еще, например, существование достаточно мощного магнитного поля, защищающего планету от губительных звездных «факелов» и потоков частиц; и наличие расколотой на отдельные плиты твердой коры, и движение этих плит, так называемая тектоника, необходимая для появления кругооборота углерода на планете и так далее, и так далее.  
    Если свести всю эту картину к нескольким словам, то они будут неутешительны: наша Солнечная система образовалась в результате случайного счастливого стечения обстоятельств (формирование двух газовых гигантов сразу, одного за другим), которое вообще-то не характерно для планетных систем. Проще говоря, мы несколько уникальны, и при обсуждении вопроса о существовании в космосе других планет, подходящих для возникновения землеподобной жизни, это обстоятельство тоже нужно учитыватьК сказанному можно добавить, что роль Юпитера в формировании нашей планетной системы в ее нынешнем виде отмечается уже не впервые: она является центральной также в популярной сегодня среди астрономов «модели Ниццы» со всеми ее производными; и вообще – загадка Юпитера все чаще выдвигается на первый план во всех обсуждениях проблемы существования жизни в космосе. В «модели Ниццы», например, движение Юпитера (и Сатурна) все дальше от Солнца приводит к вбрасыванию во внутренние районы системы, то есть в сторону новорожденной Земли, огромного числа комет и астероидов (что подтверждается следами многочисленных космических ударов на поверхности Марса и Луны), а это привело к появлению на Земле воды, столь необходимой для возникновения жизни. Другие авторы отмечают, что Юпитер, встав, наконец, на свою нынешнюю стационарную орбиту, превратился из «бомбардировщика» внутренних планет в их «защитника», поскольку его гравитационное поле стало существенно заслонять эти планеты от новой массовой бомбардировки блуждающими кометами и астероидами.
    Тем более важен вопрос: насколько уникален Юпитер? Что говорят об этом существующие данные? Эти данные говорят, что таких массивных планет на таком расстоянии, как Юпитер от Солнца, и на такой (почти круговой) орбите в других планетных системах практически нет: тамошние газовые гиганты либо движутся по круговым орбитам очень близко к своим звездам («горячие Юпитеры»), либо обращаются вокруг своих звезд очень далеко и по вытянутым, резко эллиптическим орбитам. Получается, что наш Юпитер вроде бы уникален.
    Правда, надо заметить, что планетных систем, похожих на нашу, тоже практически нет, но многие астрономы считают, что это кажущееся явление, вызванное слишком малым числом наблюдений. Недавно эту точку зрения энергично поддержали некоторые астрономы, которые проанализировали все данные, собранные «Кеплером», и показали, что Солнечная система как будто бы более типична, чем кажется на первый взгляд. Но даже в их анализе проблема «уникальности или не-уникальности» Юпитера не нашла убедительного решения. (Заметим в этой связи, что планеты типа Сатурна и Урана вообще еще не были найдены ни разу; впрочем, это может быть следствием того, что их воздействие на движение своих звезд слишком мало, чтобы нынешние земные приборы его уловили).
    В поисках такого решения группа американских астрономов предприняла недавно тщательный анализ данных, накопившихся за последние десять лет в ходе поиска и изучения планет-гигантов в других планетных системах. Эти планеты обнаруживаются по их гравитационному влиянию на движение своей звезды (чем они массивней, тем это влияние заметнее), и авторы новой работы изучили данные для 1100 звезд, наблюдавшихся в гигантский телескоп обсерватории «Кек» на Гавайях. 

Телескоп обсерватории «Кек» 
    Этот анализ привел к выводу, что планеты, похожие на Юпитер, найдены пока что лишь у 3% наблюдавшихся звезд, и это говорит о то, что планетные системы, аналогичные нашей, тоже довольно редкиВозможно, что в других планетных системах для этого недостало «строительного материала» или же в отсутствии тамошних Сатурнов эти одинокие гиганты продолжают беспрепятственно приближаться к своей звезде, превращаясь в конце концов в «горячие Юпитеры». Как бы то ни было, близкие аналоги нашего Юпитера редки, а учитывая ту роль, которую он, судя по всем новым моделям, сыграл в формировании Солнечной системы и конкретно Земли, можно заключить, что даже пригодные для обитания инопланетян землеподобные планеты в других планетных системах крайне редко имеют такую же благоприятную для жизни историю, как наша Земля.
    Уникальность нашей Земли этим не исчерпывается, потому что другая группа американских астрономов, проведя анализ тех же данных о внесолнечных планетах и добавив к нему анализ возможной скорости рождения планет в космосе (полученный из расчетов количества водорода и гелия во Вселенной и скорости идущих в ней процессов звездообразования за всю ее историю), пришла к поразительно интересному выводу: оказалось, что наша планета – редчайшая ранняя пташкаона родилась в те времена (4.5 млрд лет назад), когда во Вселенной существовали всего 8% (!) всех тех потенциально обитаемых планет, которые в ней могут родиться за 100 триллионов (!!) лет существования. Это означает, что даже сегодня подавляющее большинство потенциально обитаемых планет еще даже не существуют!
    Подождем пару-другую десятков триллионов лет и вот тогда поговорим...» («Знание - Сила» № 10 / 2016).

Рождение планетной системы
    Рожденные из хаоса

    Константин Батыгин, Грегори Лафлин, Алессандро Морбиделли

    «Пересказ истории рождения нашей Солнечной системы весьма однообразен уже многие годы. Все началось миллиарды лет назад с темного и медленно вращающегося облака газа и пыли. Облако сжималось, образуя в своем центре Солнце. Со временем из остатков газа и твердых обломков, крутившихся вокруг нашей звезды, сформировались восемь планет и множество меньших тел, таких как Плутон. С тех пор планеты кружат вокруг Солнца и их движения точны и предсказуемы, как часовой механизм.
    В последнее время астрономы обнаруживают факты, опровергающие эту старую сказку. По сравнению с устройством тысяч недавно обнаруженных экзопланетных систем наиболее характерные черты нашей Солнечной системы - ее внутренние каменистые планеты, внешние газовые гиганты и отсутствие планет внутри орбиты Меркурия - выглядят довольно странно. Моделируя на компьютерах прошлое, мы видим, что эти причуды стали продуктом бурной молодости. Необходимо переписать историю Солнечной системы, включив в нее гораздо больше драмы и хаоса, чем большинство из нас ожидали.
    Новый вариант истории повествует о блуждающих планетах, изгнанных из родных мест, о потерянных мирах, сгинувших давным-давно в огненном пекле Солнца, и об одиноких гигантах, заброшенных в холодные глубины у границы межзвездного пространства. Изучая эти древние события и оставшиеся после них «шрамы» - вроде предполагаемой девятой планеты, которая может скрываться за орбитой Плутона, - астрономы выстраивают стройную картину важнейших формообразующих эпох Солнечной системы на фоне нового понимания космических процессов.

    Классическая Солнечная система

    Планеты - это побочный продукт формирования звезд, протекающего в недрах гигантских молекулярных облаков, превосходящих наше Солнце по массе в 10 тыс. раз. Отдельные уплотнения в облаке под действием гравитации сжимаются, образуя в своем центре светящуюся протозвезду, окруженную широким непрозрачным кольцом из газа и пыли - протопланетным диском.
    Многие десятилетия теоретики моделировали протопланетный диск нашего Солнца, пытаясь объяснить одну из важнейших особенностей Солнечной системы: ее деление на группы каменистых и газовых планет. Орбитальные периоды четырех землеподобных планет заключены между 88-дневным Меркурием и 687-дневным Марсом. В отличие от этого известные газовые гиганты находятся на гораздо более далеких орбитах с периодами от 12 до 165 лет и все вместе более чем в 150 раз превосходят по массе планеты земной группы.
    Оба типа планет, как полагают, родились в едином процессе формирования, в котором твердые пылинки, мчась в турбулентном вихре газового диска, сталкивались и слипались, образуя тела километрового масштаба - планетезимали (примерно так на неподметенном полу вашей кухни воздушные потоки и электростатические силы скатывают пылевые шарики). Самые крупные планетезимали обладали наибольшим гравитационным притяжением и росли быстрее других, притягивая мелкие частицы к своей орбите. Вероятно, в течение миллиона лет в процессе сжатия из облака протопланетный диск нашей Солнечной системы, как и любой другой во Вселенной, кишел планетными эмбрионами размером с Луну.
    Самый крупный эмбрион располагался непосредственно за современным поясом астероидов, достаточно далеко от света и тепла новорожденного Солнца, где в протопланетном диске сохранялись льды. За этой «границей льдов» эмбрионы могли пировать на обильных россыпях планетостроительных льдов и вырастать до огромных размеров. Как водится, «богатые становятся богаче»: крупнейший эмбрион рос быстрее других, выгребая своим гравитационным полем большую часть доступного льда, газа и пыли из окружающего диска. Всего лишь примерно за миллион лет этот жадный эмбрион вырос настолько, что стал планетой Юпитер. Как думали теоретики, то был решающий момент, когда архитектура Солнечной системы разделилась надвое. Отстав от Юпитера, другие планеты-гиганты Солнечной системы оказались мельче, поскольку они росли медленнее, захватывая своей гравитацией лишь тот газ, который не успел захватить Юпитер. А внутренние планеты оказались еще намного мельче, так как они родились внутри границы льдов, где диск был почти лишен газа и льда.

    Экзопланетная революция

    Когда два десятилетия назад астрономы стали обнаруживать экзопланеты, они начали тестировать теорию формирования Солнечной системы на галактическом масштабе. Многие из первых открытых экзопланет оказались «горячими юпитерами», то есть газовыми гигантами, стремительно обращающимися вокруг своих звезд с периодами всего несколько суток. Существование гиганских планет так близко к пылающей поверхности звезды, где лед совершенно отсутствует, полностью противоречит классической картине формирования планет. Чтобы объяснить этот парадокс, теоретики предположили, что горячие юпитеры формируются вдали, а затем как-то мигрируют внутрь.
    Более того, основываясь на данных о тысячах экзопланет, обнаруженных в таких обзорах, как сделанный космическим телескопом NASA «Кеплер», астрономы пришли к тревожному выводу о том, что двойники Солнечной системы весьма редки. Средняя планетная система содержит одну или несколько суперземель (планет, в несколько раз больших Земли) с орбитальными периодами короче примерно 100 суток. А гигантские планеты типа Юпитера и Сатурна встречаются лишь у 10% звезд, и еще реже они движутся по почти круговым орбитам.
    Обманутые в своих ожиданиях, теоретики поняли, что «несколько важных деталей» классической теории формирования нашей планетной системы требуют лучшего объяснения. Почему внутренняя область Солнечной системы столь маломассивна в сравнении с ее экзопланетными аналогами? Вместо суперземель в ней мелкие каменистые планеты, и нет ни одной внутри 88-суточной орбиты Меркурия. И почему орбиты планет-гигантов у Солнца такие круглые и широкие?
    Очевидно, ответы на эти вопросы кроются в недостатках классической теории формирования планет, не учитывающей изменчивость протопланетных дисков. Оказывается, новорожденная планета, как спасательный плотик в океане, может дрейфовать далеко от места своего рождения. После того как планета подросла, ее гравитация начинает влиять на окружающий диск, возбуждая в нем спиральные волны, гравитация которых оказывает влияние уже на движение самой планеты, создавая мощные положительную и отрицательную обратные связи между планетой и диском. В результате может происходить необратимый обмен импульсом и энергией, позволяющий молодым планетам отправляться в эпическое путешествие по родительскому диску.

Эволюция Солнечной системы-1
    Если учесть процесс миграции планет, то границы льдов внутри дисков уже не играют особой роли в формировании структуры планетных систем. Например, планеты-гиганты, рожденные за границей льдов, могут стать горячими юпитерами, дрейфуя к центру диска, то есть путешествуя вместе с газом и пылью по спирали по направлению к звезде. Беда в том, что этот процесс работает даже слишком хорошо и, кажется, должен происходить во всех протопланетных дисках. Тогда как же объяснить далекие орбиты Юпитера и Сатурна вокруг Солнца?

    Смена галса

    Первый намек на убедительное объяснение дала в 2001 г. компьютерная модель Фредерика Массе (Frederic Masset) и Марка Снэллгроува (Mark Snellgrove) из Лондонского университета королевы Марии. Они моделировали одновременную эволюцию орбит Сатурна и Юпитера в протопланетном диске Солнца. Из-за меньшей массы Сатурна его миграция к центру происходит быстрее, чем у Юпитера, в результате чего орбиты этих двух планет сближаются. В конце концов орбиты достигают определенной конфигурации, известной как резонанс средних движений, при котором Юпитер делает три оборота вокруг Солнца за каждые два орбитальных периода Сатурна.
    Две планеты, связанные резонансом средних движений, могут обмениваться друг с другом импульсом и энергией туда-сюда, наподобие межпланетной игры с перебрасыванием горячей картофелины. Из-за согласованной природы резонансных возмущений обе планеты оказывают усиленное гравитационное влияние друг на друга и на свое окружение. В случае Юпитера и Сатурна эта «раскачка» позволила им коллективно воздействовать своей массой на протопланетный диск, создав в нем большой разрыв с Юпитером на внутренней стороне и Сатурном на внешней. Причем из-за своей большей массы Юпитер сильнее притягивал к себе внутренний диск, чем Сатурн - внешний. Парадоксально, но это заставило обе планеты изменить движение и начать удаляться от Солнца. Такую резкую смену направления миграции часто называют сменой галса (the grand tack) из-за сходства с движением лавирующего парусника, идущего против ветра.
    В 2011 г., через десять лет после рождения концепции смены галса, компьютерная модель Кевина Уолша (Kevin J. Walsh) и его коллег из Обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция) показала, что эта идея хорошо объясняет не только динамическую историю Юпитера и Сатурна, но и распределение каменистых и льдистых астероидов, а также малую массу Марса. Когда Юпитер мигрировал внутрь, своим гравитационным влиянием он захватывал и перемещал планетезимали на своем пути сквозь диск, сгребая и толкая их перед собой, как бульдозер. Если предположить, что Юпитер, прежде чем повернуть назад, мигрировал к Солнцу до расстояния нынешней орбиты Марса, то он мог перетащить ледяные блоки общей массой более десяти масс Земли в область землеподобных планет Солнечной системы, обогащая ее водой и другими летучими веществами. Этот же процесс мог создать четкую внешнюю границу у внутренней части протопланетного диска, прекратив рост ближайшего планетного эмбриона, который в результате стал тем, что сегодня мы называем Марсом.

    Атака Юпитера

    Несмотря на то что сценарий смены галса в 2011 г. выглядел весьма убедительным, его отношение к другим неразгаданным тайнам нашей Солнечной системы, таким как полное отсутствие планет внутри орбиты Меркурия, оставалось неясным. По сравнению с другими планетными системами, где плотно упакованы суперземли, наша кажется почти пустой. Неужели наша Солнечная система миновала важнейший этап формирования планет, который мы видим повсюду во Вселенной? В 2015 г. двое из нас (Константин Батыгин и Грегори Лафлин) рассмотрели, как бы могла повлиять смена галса на гипотетическую группу близких к Солнцу суперземель. Наш вывод оказался поразительным: суперземли не пережили бы смену галса. Замечательно, что миграциями Юпитера внутрь и наружу можно объяснить многие свойства планет, которые нам известны, а также и неизвестные.
    Когда Юпитер погрузился во внутреннюю область Солнечной системы, своим «бульдозерным» влиянием на планетезимали он должен был нарушить их аккуратные круговые орбиты, превратив их в хаотический клубок пересекающихся траекторий. Некоторые планетезимали должны были сталкиваться с большой силой, разбиваясь на фрагменты, которые неизбежно порождали дальнейшие столкновения и разрушения. Таким образом, миграция Юпитера внутрь скорее всего вызвала каскад столкновений, который разрушал планетезимали, измельчая их до размера валунов, гальки и песка.
    Под действием столкновительного трения и аэродинамического сопротивления в загазованной внутренней области протопланетного диска разрушенные планетезимали быстро теряли свою энергию и по спирали приближались к Солнцу. Входе этого падения они легко могли быть захвачены в новые резонансы, связанные с какой-либо из близких к ним суперземель.
    Это было бы весьма печально для тех планет, которые оказались бы вынуждены делиться своей орбитальной энергией с паразитическими роями космического мусора. Постоянно тормозясь потоками газа в диске, эти рои должны были бы по спирали быстро падать на Солнце. Но из-за резонанса с суперземлями они задерживались, откачивая орбитальную энергию у планет и рассеивая ее в виде тепла входе аэродинамического торможения. В результате разрушенные планетезимали с безжалостной эффективностью толкали планеты к гибели, постепенно понижая орбиту каждой из них, так что одна за другой все они упали на Солнце. Наши расчеты показывают: ни одна из этих гипотетических планет не сохранилась бы дольше сотни тысяч лет после того, как начался каскад столкновений.

Эволюция Солнечной системы-2
    Таким образом, смена галса Юпитера и Сатурна, возможно, вызвала мощную атаку на население первичных внутренних планет Солнечной системы. По мере того как бывшие суперземли падали на Солнце, они должны были оставлять за собой пустынную область в протопланетной туманности, простирающуюся до орбитальных периодов около 100 суток. В результате стремительный маневр Юпитера по молодой Солнечной системе привел к появлению довольно узкого кольца каменистых обломков, из которых через сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы. Приведшее к этой тонкой хореографии стечение случайных событий указывает, что маленькие каменистые планеты типа Земли - а возможно, и сама жизнь на них - должны редко встречаться во Вселенной.

    Модель Ниццы

    К тому времени, когда Юпитер и Сатурн двинулись обратно из своего набега во внутреннюю часть Солнечной системы, протопланетный газово-пылевой диск уже сильно истощился. В конце концов резонансная пара - Юпитер и Сатурн - сблизилась с недавно сформировавшимися Ураном и Нептуном, а также, возможно, с еще одним телом подобного размера. С помощью гравитационных эффектов торможения в газе динамический дуэт захватил и эти меньшие гиганты в резонансы. Таким образом, когда большая часть газа ушла из диска, внутренняя архитектура Солнечной системы, вероятно, состояла из кольца каменистых обломков в окрестности нынешней орбиты Земли.
    Во внешней области системы была компактная резонансная группа по меньшей мере из четырех планет-гигантов, движущихся по почти круговым орбитам между нынешней орбитой Юпитера и примерно половиной расстояния до нынешней орбиты Нептуна. В наружной части диска, за орбитой самой внешней планеты-гиганта, на дальнем холодном краю Солнечной системы двигались льдистые планетезимали. За сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы, а некогда беспокойные внешние планеты пришли в состояние, которое можно было бы назвать стабильным. Однако это еще не было заключительным этапом эволюции Солнечной системы.
    Смена галса и атака Юпитера вызвали последний всплеск межпланетного буйства в истории Солнечной системы, нанесли последний штрих, который привел планетную свиту нашего Солнца практически в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня. Этот последний эпизод, названный поздней тяжелой бомбардировкой, произошел между 4.1 и 3,8 млрд лет назад, когда Солнечная система временно превратилась в тир. заполненный множеством сталкивающихся планетезималей. Сегодня шрамы от столкновений с ними видны в виде кратеров на поверхности Луны.
    Работая с несколькими коллегами в Обсерватории Лазурного берега в Ницце в 2005 г., один из нас (Алессандро Морбиделли) создал так называемую модель Ниццы, чтобы объяснить, как взаимодействие между гигантскими планетами могло вызвать позднюю тяжелую бомбардировку. Там, где заканчивается смена галса, начинается модель Ниццы.
    Близко расположенные друг к другу планеты-гиганты все еще двигались во взаимном резонансе и по-прежнему чувствовали слабое гравитационное влияние окраинных льдистых планетезималей. Фактически они балансировали на грани нестабильности. Накапливаясь за миллионы орбитальных оборотов в течение сотен миллионов лет, каждое незначительное по отдельности влияние внешних планетезималей понемногу меняло движение гигантов, медленно выводя из тонкого баланса резонансов, связывавшего их друг с другом. Переломный момент наступил, когда один из гигантов выпал из резонанса с другим, нарушив тем самым баланс и запустив серию взаимных хаотических возмущений планет, которые сдвинули Юпитер немного внутрь системы, а остальные гиганты - наружу. За короткое по космическим масштабам время в несколько миллионов лет внешняя область Солнечной системы пережила резкий переход от плотно упакованной, с почти круговыми орбитами к рассеянной и неупорядоченной конфигурации с движением планет по широким вытянутым орбитам. Взаимодействие между гигантскими планетами было настолько сильным, что одна или даже несколько из них, возможно, были выброшены далеко за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

Эволюция Солнечной системы-3
    Если бы динамическая эволюция на этом остановилась, то строение внешних областей Солнечной системы соответствовало бы той картине, которую мы видим у многих экзопланетных систем, где гиганты движутся вокруг своих звезд по эксцентрическим орбитам. К счастью, диск из льдистых планетезималей, вызвавший до этого беспорядок в движении планет-гигантов, позже помог его ликвидировать, взаимодействуя с их вытянутыми орбитами. Проходя поблизости от Юпитера и других планет-гигантов, планетезимали постепенно отбирали у них энергию орбитального движения и тем самым округляли их орбиты. При этом большинство планетезималей были выброшены за пределы гравитационного влияния Солнца, но некоторые остались на связанных орбитах, образовав диск из льдистого «мусора», который теперь мы называем поясом Койпера.

    Девятая планета: окончательная теория

    Упорные наблюдения на крупнейших телескопах постепенно раскрывают нам просторы пояса Койпера, демонстрируя его неожиданную структуру. В частности, астрономы заметили своеобразное распределение самых далеких объектов пояса Койпера, движущихся у внешних границ области обзора. Несмотря на большую разницу расстояний от Солнца, орбиты этих объектов плотно сгруппированы, как будто бы все они испытывают общее и очень сильное возмущение. Компьютерное моделирование, выполненное Батыгиным и Майклом Брауном (Michael Е. Brawn) из Калифорнийского технологического института, показало, что такую картину могла бы создать не обнаруженная до сих пор девятая планета с массой раз в десять больше, чем у Земли, движущаяся по весьма эксцентрической орбите вокруг Солнца с периодом около 20 тыс. лет. Такая планета вряд ли могла сформироваться настолько далеко, но ее появление там довольно легко можно понять, если она была заброшена туда в эпоху юности Солнечной системы.
    Если существование девятой планеты подтвердится, это резко усилит ограничения на картину эволюции нашей странной - с «дырой» в центре - Солнечной системы и выставит новые требования к теории, которая могла бы объяснить все ее особенности. Сейчас астрономы используют крупнейшие телескопы Земли, пытаясь найти эту загадочную планету. Ее открытие завершило бы предпоследнюю главу в длинной и сложной истории о том, как мы пытались понять наше место во Вселенной. А завершится эта история лишь тогда, когда мы наконец-то найдем планеты с жизнью, обращающиеся вокруг других звезд.
    Как секвенирование нитей ДНК раскрывает историю древних миграций человечества по поверхности нашей маленькой планеты, так и компьютерное моделирование позволяет астрономам реконструировать величественную историю путешествий планет за миллиарды лет жизни Солнечной системы. От момента своего рождения в темном молекулярном облаке к формированию первых планет, к разрушительным событиям смены галса, атаки Юпитера и модели Ниццы, к возникновению жизни и сознания вблизи по меньшей мере одной из звезд на просторах Млечного Пути полная биография нашей Солнечной системы станет одним из самых значительных достижений современной науки - и, несомненно, одной из самых грандиозных историй, которые когда-либо были рассказаны». («В мире науки» №7, 2016). 

    «1-я Книга Федора». Файл 8-А. «Борозды ("траншеи") на Фобосе». http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/10/1-8.html .

    На эту тему:
    «Происхождение планет». (Дуглас Лин. «В мире науки» №8, 2008).  

2 комментария:

  1. Коллоквиум "Земля на ранних этапах развития солнечной планетной системы". 28-30 Ноября 2016, ГАИШ, Москва

    "Одной из самых фундаментальных проблем в современной науке является проблема возникновения и эволюции жизни на Земле. По существу, мы даже не знаем сегодня, возникла ли она на Земле или привнесена извне. Для решения этих вопрос необходимо более точное знание о процессах на ранней Земле. В частности важно уточнить тепловой режим в первые сотни миллионов существования планеты, даты возникновения жидкого и твердого ядра, дату возникновения и структуру магнитного поля, возникновение и характеристики атмосферы и водной оболочки. По всем этим вопросам существуют сильно различающиеся точки зрения. Поэтому форма коллоквиума или совещания-дискуссии представляется в данном случае оптимальной.

    Наше мероприятие посвящено анализу эволюции Земли и солнечной планетной системы на ранней стадии их развития и продолжает традицию коллоквиумов Астрономического общества, проведенных ранее:
    • 2009-Циклы активности на Солнце и звездах
    • 2010-Активность Звезд и Солнца на разных стадиях их эволюции
    • 2014-Космические факторы эволюции биосферы и геосферы

    Как и ранее, схема проведения коллоквиума такова. Организаторы предлагают для обсуждения некоторое количество нерешенных и дискуссионных проблем:
    - Раннее Солнце;
    - Раннее магнитное поле;
    - Ранняя атмосфера Земли;
    - Ранняя жизнь на Земле.
    - Современные агенты воздействия на биосферу и техносферу..."

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Коллоквиум "Земля на ранних этапах развития солнечной планетной системы". 28-30 Ноября 2016, ГАИШ, Москва (окончание)

      "Предварительная программа:

      - "О некоторых дискуссионных проблемах в эволюции ранней Земли". (Е.Г.Храмова);
      - "Эволюция Солнца и физические процессы на ранней стадии эволюции до главной последовательности". (В.А.Батурин, А.В.Орешина, С.И.Аюков, А.Б.Горшков);
      - "Светимость Солнца на главной последовательности. Стандартная модель и возможные вариации". (С.И.Аюков, В.А.Батурин, А.Б.Горшков, А.В.Орешина);
      - "Активность самого раннего Солнца (Activity of the Baby-Sun)" (М.М.Кацова, М.А.Лившиц, Т.В.Мишенина, Б.А.Низамов);..
      - "Возможное влияние межзвездной среды на процессы, протекающие на Земле". (Н.Г.Бочкарев);
      - "Ранняя стадия возникновения Земли (интервал после возникновения Солнца, формирование жидкого ядра, формирование твердого ядра)". (Г.В.Печерникова, В.Н.Сергеев);
      - "Сценарии эволюции гидромагнитного динамо в ядрах планет Земной группы исходящие из палеомагнитных, астрономических и изотопных данных". (С.В.Старченко);
      - "Как быстро возникло у Земли магнитное поле? Почему магнитное поле есть у Земли, и нет у Венеры и Марса?" (Д.Д.Соколов);
      - "Модели происхождения Луны; ранняя история Земли и Венеры (роль приливного трения в образовании структуры планет)" (Г.В.Печерникова, Е.Л.Рускол);
      - "Миграция раннего Юпитера и формирование планет земной группы" (В.М. Чепурова);
      - "Добиологическая эволюция органического вещества во Вселенной" (Д.З.Вибе);
      - "Предбиологические синтезы органического вещества в протопланетных дисках: компьютерное моделирование, наблюдение и лабораторное моделирование". (В.Н. Снытников., О.П. Стояновская);
      - "Первичная метеоритная бомбардировка". (А.В.Багров);
      - "Ранние атмосферы Земли, Марса и Венеры". (O.И.Кораблев).
      - "Проблемы образования малых тел (планетезималей) в ранней Солнечной системе". (А.Б.Макалкин);
      - "Живое. От принципов к механизмам". (В.А.Твердислов);
      - "История жизни – история Земли. (А.Ю. Розанов);
      - "Образование пребиотических соединений из метеоритного материала при облучении ускоренными частицами". (М.И. Капралов);
      - "Ранняя Земля, лавовые потоки и возможность жизни". (М.М. Астафьева);
      - "О возможности доставки на раннюю Землю (пред)биологических структур при падениях астероидов". (В.В. Бусарев);
      - "Физические условия и экзобиологический потенциал ледяных спутников планет-гигантов". (М.Б Симаков);
      - "Ранняя атмосфера Земли в свете изучения экзопланет". (В.И.Шематович);
      - "Происхождение водяного льда на Луне". (А.А. Бережной);
      - "Устойчивость сообществ земных микроорганизмов к воздействию физических условий подповерхностных слоев Марса". (В.С. Чепцов);
      - "Исторические реконструкции солнечной активности и климата Земли". (Ю.А. Наговицын);
      - "Солнечная активность и биосфера Земли". (М.В. Рагульская)..."
      http://www.sai.msu.su/EAAS/rus/confs/SunPlanet/

      [Ф.Д.: Спасибо за ссылку "moisav" http://moisav.livejournal.com/354489.html (2016-11-24, 23:43).]

      Удалить