Разрушительное воздействие суперземля окажет на солнечную систему

Что произошло бы, если бы у нас была дополнительная планета в нашей Солнечной системе? Не на окраинах, как гипотетическая Девятая планета далеко за Плутоном, а прямо посреди Марса и Юпитера? Такой мир нанес бы ущерб орбитам большинства планет, согласно новому исследованию, которое смоделировало суперземлю — термин, используемый для миров, которые массивнее Земли, но легче газовых гигантов — и зафиксировало судьбу всех восьми планет.

Результаты показывают, что мельчайшие изменения в орбите Юпитера, который массивнее всех других планет вместе взятых, оказывают глубокое и разрушительное воздействие на тонко сбалансированные орбиты других планет.

«Все это работает как замысловатые часовые механизмы», — сказал в своем заявлении Стивен Кейн, астроном из Калифорнийского университета в Риверсайде и единственный автор исследования. «Добавьте больше передач в смесь, и все сломается».

Наша Солнечная система долгое время считалась образцом для всех планетарных систем. Однако за последние 25 лет она быстро и прочно стала исключением из-за отсутствия собственной суперземли.

Миссии NASA по поиску экзопланет, такие как Kepler и Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), помогли астрономам понять, что такие планеты на удивление очень распространены в Млечном Пути: треть всех экзопланет являются суперземлями.

Они думают, что в нашей Солнечной системе нет суперземли, потому что Юпитер подавил ее формирование, когда он значительно мигрировал к поясу астероидов и обратно, во время чего он послал много материала на Солнце.

Поэтому им трудно понять такие миры, которые распространены в других солнечных системах, из-за отсутствия местных данных, которые в противном случае помогли бы им моделировать состав и другие свойства.

Это «было источником частого разочарования» среди экзопланетного сообщества, сказал Кейн в электронном письме. «Поэтому мое исследование было направлено на то, чтобы ответить на вопрос: что, если ваше желание сбудется?»

Внутренние четыре планеты особенно уязвимы

Суперземли могут быть в два-десять раз массивнее нашей планеты, поэтому Кейн смоделировал планеты разной массы и разместил их на разных расстояниях в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером.

Он начал с суперземли на расстоянии, вдвое превышающем расстояние между Землей и Солнцем или на 2 астрономические единицы (а.е.; 185 миллионов миль или 297 миллионов км), и увеличил расстояние до внешнего края пояса астероидов, на 4 а.е. (371 млн миль или 597 млн км).

Это привело к тысячам симуляций, каждая из которых началась в настоящее время и закончилась через 10 миллионов лет. Каждые 100 лет Кейн записывал последствия для каждой из восьми планет Солнечной системы.

Эти результаты показали, что все четыре внутренние планеты — Меркурий, Венера, Марс и Земля — особенно уязвимы для изменений орбиты; некоторые или все четыре планеты во многих случаях были выброшены из Солнечной системы. Ни одна из тысяч симуляций не показала ухода Юпитера или Сатурна.

Но в некоторых случаях два газовых гиганта выбрасывали другие планеты, в том числе недавно добавленную саму супер-Землю, а также Уран, вызывая хаос среди его спутников. «Я бы не возлагал слишком больших надежд на то, что луны останутся на стабильных орбитах вокруг планеты, когда она вылетит за пределы Солнечной системы», — сказал Кейн.

Когда планета, в семь раз превышающая массу Земли, такая как Gliese 163c, была помещена немного дальше Марса, моделирование показало, что орбиты всех четырех внутренних планет стали нестабильными. Орбиты Земли и Венеры стали достаточно эксцентричными или яйцевидными, что привело к «катастрофическим близким столкновениям».

Затем изменение их орбит высвободило энергию, которая была передана Меркурию, и вскоре после этого он был выброшен. Марс просуществовал только до полупериода, а Земля и Венера ушли из жизни примерно через восемь миллионов лет.

Газовые гиганты могут постоять за себя

В отличие от планет земной группы, газовые гиганты, особенно Юпитер и Сатурн, менее сильно пострадали от дополнительной планеты. Их орбиты были слегка неустойчивыми только в местах резонанса среднего движения (MMR) — определенных местах, где периоды обращения двух планет представляют собой простое целочисленное отношение друг к другу. (Например, объект в MMR 3:1 с Юпитером совершает оборот вокруг Солнца ровно три раза за каждый один оборот вокруг Юпитера.)

Поэтому, когда Кейн поместил ту же суперземлю, похожую на Gliese 163c, во внешние пределы пояса астероидов на расстоянии 3,8 а.е., она оказалась в MMR 8:5 с Юпитером и 4:1 MMR с Сатурном. В результате орбиты обоих газовых гигантов стали более яйцевидными, настолько, что они удалили сначала суперземлю, а потом Уран.

Исследование Кейна показало, что в этом случае даже малейшие изменения во внешней части Солнечной системы сильно повлияли на внутренние планеты; Например, Марс был выброшен через пару миллионов лет после Урана. «Что меня больше всего удивило в исследовании, так это чувствительность всей архитектуры Солнечной системы к резонансам Юпитера», — сказал Кейн Space.com в электронном письме.

Согласно исследованию, добавление суперземли наименее хаотично, если планета расположена ближе к концу пояса астероидов на расстоянии около 3 астрономических единиц (278 миллионов миль или 447 миллионов километров). Здесь он будет минимально взаимодействовать с планетами-гигантами и вызывать небольшие нарушения Солнечной системы, утверждает Кейн.

В этом случае «одним из основных пробелов, который необходимо дополнительно изучить, является стабильность Солнечной системы в более длительных временных масштабах (скажем, 1 миллиард лет)», — Манасви Лингам, астроном из Технологического института Флориды, не участвовавший в исследованиях. исследование, сказал в электронном письме.

В целом исследование показывает, «насколько важен Юпитер для динамики Солнечной системы, — сказал Кейн, — и что даже относительно небольшие изменения могут иметь огромное значение для стабильности нашей системы».

Суперземли могут быть обычным явлением в большинстве солнечных систем, потому что планеты-гиганты, такие как Юпитер, — редкое явление: только десять процентов солнцеподобных звезд содержат планеты-гиганты на таких расстояниях от Солнца, как наша, а для более старых звезд это число еще меньше.

Кейн сказал, что исследователи часто размышляли о том, может ли наша солнечная система безопасно укрыть дополнительную планету между Марсом и Юпитером, и ответ, кажется, категорически отрицательный. «Если вы экзопланетист и нашли джинна в бутылке, пожалуйста, не желайте, чтобы в Солнечной системе была суперземля», — написал Кейн в Твиттере. «Вы можете случайно дестабилизировать солнечную систему!»