Со времен Коперника ученые медленно уводили Землю из ее предварительно определенного «центра Вселенной». Сегодня ученые признают, что Солнце — вполне обычная звезда, не слишком горячая, не слишком холодная, не слишком яркая, не слишком тусклая, расположенная в случайном месте обычной спиральной галактике. Поэтому когда телескоп Кеплера начал свою охоту на планеты в 2009 году, ученые ожидали обнаружить планетарные системы, которые напомнили бы нашу Солнечную систему.
Вместо этого Кеплер обнаружил типы планет, недостающих в нашей Солнечной системе. Оказалось, что экзопланет гораздо больше, чем мы думали: от «горячих Юпитеров» (планет размером с Юпитер) до «суперземель» (массивных твердых планет, которые больше нашей собственной). Из 1019 подтвержденных планет и 4178 кандидатов, обнаруженных на сегодня, только одна система напоминает нашу собственную: с планетами земного типа рядом со звездой и с гигантскими планетами немного поодаль.
«Мы понятия не имеем, почему наша Солнечная система непохожа на другие, и мы хотели бы получить ответ», — рассказал планетолог Кевин Уолш из Юго-Западного исследовательского института в Колорадо журналу Astrobiology.
В попытке сравнить Солнце и его планеты с новообретенными звездными системами, обнаруженными Кеплером, пара астрономов предположила, что в юности наша Солнечная система, возможно, содержала целых четыре планеты, вращающиеся ближе к Солнцу, чем Венера, и что после ряда катастрофических столкновений выжил только Меркурий.
«Одна из проблем нашей Солнечной системы в том, что по меркам Кеплера Меркурий слишком далек от Солнца», — рассказала планетолог Катрин Волк из Университета Британской Колумбии.
Волк и ее коллега Бретт Глэдмен из того же университета предположили, что в начале жизни большинства звезд их окружают «системы плотно упакованных внутренних планет» (STIP). Со временем столкновения уничтожают множества этих планет, оставляя их возле 5-10% звезд, наблюдаемых сегодня.
Но хотя лишь немногие из наблюдаемых систем содержат STIP, Волк считает, что когда-то они преобладали — и Солнце могло быть одной из таких систем, изначальные внутренние планеты которой были уничтожены.
«Если STIP образуется с легкостью, возможно, их можно было найти вокруг всех звезд, после чего 90% таковых было уничтожено», говорит Волк.
Уолш не принимал участия в этом исследовании, но приветствует работу Волк по сопоставлению Солнечной системы с другими планетарными системами за счет использования моделей поиска невидимых планет, которые могли быть в прошлом.
«Можно сказать, что мы никогда не думали об этом прежде. Мы всегда пытались сопоставить планеты, которые видели, но не те, которых не видели. Теперь мы наблюдаем это вокруг других звезд, так что вопрос хороший».
Волк и Глэдмен поняли, что небольшое число STIP может пролить свет на причины такого сильного отличия нашей Солнечной системы. Пара ученых взяла 13 наблюдаемых Кеплером систем, которые содержат больше четырех внутренних планет, и запустила на их основе симуляцию длиной в 10 миллионов лет. В десяти случаях малые планеты испытали жестокие столкновения, которые изменили структуру планетарной системы. По мнению ученых, остатки, вероятно, будут оставаться стабильными в течение более 10 миллионов лет.
Затем команда провела еще одну серию симуляций на длительном отрезке времени, чтобы понять, как развиваются системы, когда становятся более стабильными, и выяснить, как распределяются столкновения с течением времени. Они обнаружили, что половина систем приходила к столкновению, но не выказывала никаких признаков катастрофы заранее. Системы со столкновениями оставались стабильными практически всю свою жизнь, прежде чем планеты начинали сталкиваться между собой.
Моделирование показало, что через 5 миллионов лет примерно 5-10% STIP из выборки так и не достигали стабильности. Поскольку STIP видели лишь в 5-10% планетарных систем, наблюдаемых Кеплером, это может означать, что все они родились со STIP, но 90% STIP были уничтожены к моменту наблюдений Кеплера.
«Если у каждой звезды когда-то была система STIP, это означало бы, что мы (модельеры) просто не успели к моменту существования планет, — говорит Уолш. — Мы всегда пытались строить модели, чтобы получить наши четыре твердых планеты, игнорируя возможность образования от трех до пяти планет еще больше Земли внутри орбиты Меркурия. Это было бы очень круто!».
Если бы все было так, Земля перестала бы быть странным исключением из правил образования планет, как показывают случайные наблюдения. Вместо этого она прекрасно вписалась бы и не требовала специального объяснения своему существованию. Если Солнечная система — и Земля, следовательно, — редкость, это может сказаться и на распространенности жизни во Вселенной; но если она следует обычным процессам формирования планетарных систем, то в ней не будет ничего столь необычного.
Меркурий давно был проблемой для планетологов. Помимо того, что он находится дальше от Солнца, чем большинство планет, увиденных Кеплером, Меркурий плотно набит тяжелыми элементами. Одна из гипотез относительно его странного состава включает столкновение, которое смахнуло с планеты легкую кору и оставило за собой плотный железный слой.
В то же время модели Солнечной системы вернули слишком много материала, чтобы объяснить им один Меркурий. Чтобы сформировать одну планету на орбите Меркурия, симуляции требуют необычного пробела — искусственной границе — в пыли, окружающей юное Солнце, который растянулся бы почти на полпути к нынешней орбите Земли. Если пробел тянулся аж до самой звезды, как полагает большинство ученых, этот диск должен был содержать слишком много материала.
Если большинство планетарных систем содержали STIP при формировании, в юной Солнечной системе тоже могли быть таковые. По мнению Волк, такой сценарий устранял бы необходимость искусственного пробела до внутреннего диска и объяснял бы насыщенную железом планету. Столкновения также учитывали бы плотный состав Меркурия.
Чтобы проверить эту возможность, Волк и Глэдмен провели моделирования, которые добавили четырем планетам массой с Луну и орбитами меньше половины расстояния от Земли до Солнца. Эти планеты не влияли бы на образование Венеры, Земли и Марса в течение 500 миллионов лет, несмотря на столкновения, которые происходили между их твердыми соседями. К этому сценарию пришел Кеплер при проведении первых симуляций.
«Когда есть пара нестабильных планет, а остальные ничего не чувствуют, это не редкость», говорит Волк.
По мере столкновения небольших внутренних планет между собой, они встречали одну из двух судеб. В некоторых случаях масса сталкивающихся планет выстреливалась, но затем консолидировалась в несколько тел. В других, более разрушительных сценариях оставалось меньше 10% изначальной массы, а остальное взрывалось на мелкие кусочки, по спирали уходящие к звезде или другим планетам. Разница часто зависит от того, как быстро движутся планеты, сталкиваясь между собой; как и при столкновении автомобилей, высокая скорость приводит к большим разрушениям.
Хотя другие наблюдения Кеплером STIP-систем показали, что три или более крупных тел консолидировались в одну или две короткопериодичных планеты, наша Солнечная система, видимо, крушила до конца. У нас остался всего один выживший.
