Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной
Шрифт:
Как я уже говорил, мы считаем, что основной механизм формирования планет – срастание или коагуляция вещества из огромных дисков пыли и газа, окружающих новорожденные звезды. Однако живут эти диски относительно мало, примерно как последние вихри пузырьков, когда выпускаешь мыльную воду из ванны, только приканчивает их не тяга из трубы, а мощная энергия излучения звезды. Когда в толще таких дисков образуются планеты, они более или менее застревают на своих орбитах из-за массы окружающего газа и пыли, но когда все это вещество выкипает, планеты ощущают исключительно гравитационное воздействие друг друга и получают возможность нащупать будущую орбиту.
И вот многие ученые поняли, что в такой ситуации планетные системы могут переживать период юношеского хаоса [129] или нестабильности – такой сильной, что она приводит к полной перестановке орбит и даже к разрушению или изгнанию из системы целых
Может показаться, что все это фантазии, которые нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, но чем больше мы строим компьютерных моделей для изучения всего колоссального диапазона возможных результатов неустойчивости в планетных системах, тем заметнее поразительная закономерность. Молодые нестабильные планетные системы в конечном итоге становятся экзопланетными системами тех же разновидностей, какие мы наблюдаем в реальной Вселенной – с надежными эллиптическими орбитами и «горячими юпитерами». Кроме того, именно они вышвыривают планеты в межзвездное пространство, где мы и в реальности замечаем характерные признаки их воздействия.
129
Эта тема затронута во множестве научных статей. См., например, F. C. Adams, G. Laughlin. Migration and Dynamical Relaxation in Crowded Systems of Giant Planets // Icarus 163 (2003): 290–306; M. Juric, S. Tremaine. Dynamical Origin of Extrasolar Planet Eccentricity Distribution // The Astrophysical Journal 686 (2008): 603–620.
Компьютерное моделирование подобных процессов – это просто-таки волшебство. Берешь тысячу правдоподобно выдуманных систем, загружаешь в компьютер, словно в шляпу фокусника, даешь их орбитам спокойно развиваться в течение времени, эквивалентного миллиону или ста миллионам лет, а потом смотришь, какие получились конфигурации у оставшихся систем. Этот остаток статистически прекрасно соответствует качествам сотен и даже тысяч уже открытых настоящих экзопланетных систем.
Можно взглянуть на это и с другой точки зрения. Представьте себе, что юная нестабильная планетная система «горячая», словно чашка чаю или кофе. А все горячее впоследствии остывает. В чашке жидкости охлаждение происходит, когда самые горячие, самые быстрые молекулы испаряются, а тепловая энергия излучается в виде инфракрасного света. В нестабильной планетной системе «охлаждение» случается, когда некоторые планеты вылетают в межзвездное пространство, падают на центральную звезду или сталкиваются друг с другом. Тогда «горячая» система, где много планет, превращается в «холодную», где планет уже меньше, и нестабильная толкучка юности успокаивается и превращается в простор и солидность среднего возраста.
Насколько часто такое происходит на самом деле в нашей Галактике? Сколько систем были в юности динамически горячими? Современные исследования единодушно показывают, что ранний эпизод сильной нестабильности переживают примерно 75 % планетных систем, то есть подавляющее большинство. Подобный уровень беспорядка режет глаз, однако, судя по всему, в реальности все так и есть. Ведь мало того что Галактика и вся Вселенная полны планет, которые вращаются вокруг звезд, – многие из этих планет находятся в системах, конфигурация которых с момента их рождения сильно изменилась. Это наталкивает меня на мысль о том, как виделась множественность миров древнегреческим атомистам. Только теперь эти старые идеи пришлось видоизменить, чтобы в них вошла и динамическая эволюция во всем ее разнообразии, от горячего до холодного. У каждой планетной системы своя неповторимая история о том, как планеты терялись или уничтожались, перемежаемая периодами относительного покоя. Однако в нелинейном царстве орбитальной механики, непредсказуемом, будто огромный пес, в которого тычут палкой, ничего нельзя гарантировать, и сегодняшний покой вполне может привести к хаосу в будущем.
Расскажу о самом, пожалуй, потрясающем и неожиданном открытии в науке о планетах за последние двадцать лет. Когда ученые обнаружили, что эпизоды «горячей» нестабильности переживали очень многие системы, никто особенно не удивился, а вот когда оказалось, что такое бывало более чем с двумя третями систем, это привело к подлинному сдвигу в представлениях о характеристиках планет. Отчасти подобное поведение – прямое следствие изобилия планет, которое мы наблюдаем повсюду: их многочисленность предполагает, что они очень легко и хорошо формируются. Чем больше юных планет толпится вокруг новорожденной звезды, тем скорее система впадет в хаос из-за сложнейших гравитационных взаимодействий между планетами-соседками.
Эта картина снова заставляет нас вспомнить о наших личных обстоятельствах. Мы обнаружили, что Солнечная система подернута патиной хаоса. Однако по сравнению со многими другими системами она относительно «холодна». Орбиты всех основных
Из всего этого не следует, что в юные годы наша система не пережила никаких катаклизмов. Главенствующая теория [130] , разработанная многими учеными, пытается объяснить нынешнюю конфигурацию гигантских планет и распределение мелких небесных тел в поясе астероидов и в далеком поясе Койпера крупными изменениями размеров орбит Урана и Нептуна. Согласно этой теории Уран и Нептун – представьте себе – поменялись местами, когда обе планеты перемещались в сторону внешней границы тогда еще очень тесной системы. Когда произошла эта перестановка, Уран очутился на своей нынешней орбите, а Нептун пересек его дорогу, выдвинулся наружу и стал самой далекой от Солнца планетой.
130
Эта теория известна как «Модель Ниццы» в честь Обсерватории Лазурного Берега во французском городе Ницца, где ее разработали. См., например, K. Tsiganis et al. Origin of the Orbital Architecture of the Giant Planets of the Solar System // Nature 435 (2005): 459–61.
При этом маневре орбита Сатурна сдвинулась немного наружу по сравнению со своим нынешним положением, а массивный Юпитер – немного внутрь. Как и в любой механической системе, в планетной системе нельзя перемещать тела без взаимодействия сил, без своего рода рычагов. В данном случае роль рычага могло выполнить перераспределение тел значительно меньших размеров – десятков тысяч ледяных глыб и каменных астероидов, каждый из которых мог внести свой вклад в тягу и толчки при гравитационном взаимодействии с более крупными планетами.
Эти орбитальные перестановки, вероятно, имели место примерно 4 миллиарда лет назад, спустя всего несколько сотен миллионов лет после, того, как рассеялся диск из протопланетного газа и пыли. Последние движения при перестановке, возможно, помогли очистить систему от мелких кусков вещества, оставшегося после формирования основных планет. Но если так и было, получается, что на шкале динамической активности мы находимся достаточно низко, и наша Солнечная система подобна скорее воде комнатной температуры, нежели обжигающему кипятку.
Есть и другая гипотеза о том, каковы были первые этапы истории Солнечной системы; ее выдвинул специалист по динамике планет Дэвид Несворны [131] , и в некотором смысле из нее следует, что наша система была более активной – а значит, и менее необычной, менее значительной. Согласно этой картине юная Солнечная система обладала не четырьмя, а пятью гигантскими планетами. Пятая планета была, возможно, ледяным гигантом и по массе, вероятно, занимала промежуточное место между Нептуном и Ураном, а ее орбита пролегала где-то за Сатурном. Формирование подобного небесного тела из смеси газа и пыли вокруг юного Солнца вполне возможно, и это добавляет перцу в историю орбит Солнечной системы. Симуляции Несворны, при помощи которых он рассчитывал дальнейшую эволюцию системы, как правило, приводят к тому, что пятого великана ловким гравитационным приемом вытолкнул в межзвездное пространство Юпитер. Причем в итоге подобного моделирования возникает конфигурация крупных планет, которая статистически вполне соответствует нашей нынешней. Иначе говоря (и, возможно, это противоречит интуиции), присутствие лишней планеты для нашей системы, как говорится, то, что доктор прописал. Если в нашей системе была пятая гигантская планета, а теперь ее нет, это повышает вероятность того, что юная Солнечная система, повзрослев, стала выглядеть именно так, как сейчас.
131
Его статья с описанием пятой гигантской планеты – D. Nesvorn'y. Young Solar System’s Fifth Giant Planet? // The Astrophysical Journal Letters 742 (2011): L22—L27.
Это, конечно, интересный поворот – и наглядное напоминание, что мы до сих пор толком не разобрались, что происходило в нашей собственной системе 4 миллиарда лет назад. Быть может, нынешним довольно-таки мирным динамическим состоянием своих планет мы обязаны гораздо более бурному и «горячему» прошлому. Быть может, мы выжили из дома сестру-планету. Выходит, и планеты подвержены жестокому и безразличному естественному отбору.
Однако любые события в прошлом Солнечной системы достаточно мирные по сравнению с событиями в большинстве планетных систем, что доказывают и относительно круглые орбиты и благонравное поведение наших планет на сегодняшний день. Все это подводит нас к кульминации этой главы – и суть ее очень проста: архитектура Солнечной системы обеспечивает нам особые свидетельства, которые позволяют нам впервые в истории с достаточной надежностью оценить степень нашей уникальности.