antihydrogen (antihydrogen) wrote,
antihydrogen
antihydrogen

Category:

Модель из Ниццы, поддержанная Монте-Карло

Внезапно прознал про современную модель развития Солнечной системы в годы ее бурной молодости (бурной молодости системы, не модели, конечно). Дальнейшее изложение следует этому обзору, картинки одолжены из английской википедии.

Итак, сначала у нас был огромный газовопылевой диск вокруг свежесформировашегося Солнца, потом из диска сформировались планеты-гиганты, но это, конечно, еще не модель из Ниццы, это старое, Ницца будет позже.  Кроме планет, остались два газовых кольца: вблизи Солнца и на границах системы. Наглядно этот можно наблюдать около Фомальгаута - там сначала обнаружили как раз два кольца, и предположили, что в зазоре между ними есть молодая планета. Так и случилось.
Спецификой газового кольца по сравнению с, например, кольцом из обломков вроде сатурновского, является то, что в баланс сил входит не только центробежная и сила притяжения к Солнцу, но еще и давление газа. То есть, внешняя часть газового кольца должна вращатся вокруг Солнца несколько медленнее, чем на том же месте делала бы это планета, поскольку снизу ее "подпружинивает" давление остального облака, и равновесие достигается при меньшей скорости обращения. Планета-гигант, вращающаяся в зазоре между двумя кольцами будут "подъедать" внешний край внутреннего кольца, увеличивая свою массу, но уменьшая момент импульса на единицу массу (проще говоря, усредняются скорости планеты и поглощенного ей газа).
Из-за этого радиус орбиты планеты уменьшается, она приближается к краю кольца и обгрызает его еще более интенсивно.
Такой процесс скорее всего должен бы бы закончится полным экстремизмом, именно из-него, как считается, в диком космосе за пределами нашей уютненькой системки так много "горячих Юпитеров".

В нашей Солнечной системе, очевидно, ничего подобного не случилось, Юпитер и прочие крупные чиновники древнегреческой вертикали довольно далеки от нас. С точки зрения философии, тут, конечно, ничего удивительного нет - планета-гигант на низкой околосолнечной орбите не смогла бы ужится с Землей и прочей мелочью, в общем, "да кабы не я, внучек, тебя бы и на свете бы не было...". Но даже самое упорное и последовательное применение антропного принципа не может снять вопрос - а как все таки смогла образоваться Солнечная система в том виде, в котором мы ее наблюдаем?

Ответ вроде бы нашелся, когда вместо одинокой планеты, взаимодействующей с газовым кольцом, рассмотрели две планеты, взаимодействующие с кольцом. Оказалось, что если внутренняя планета массивнее, чем внешняя (как в паре Юпитер-Сатурн), эти планеты будут приближаться к Солнцу, пока не окажутся между собой в орбитальном резонансе (например, 3 к 2, то есть когда за три обращения Юпитера вокруг Солнца Сатурн успевает обернутся 2 раза), планеты начинают эффективно обмениваться энергией и импульсом, и взаимодействие их системы с газовым диском получается такое, что приближение к Солнцу останавливается. Если к этому еще добавить Уран и Нептун, ситуация усложняется, но результат тот же - при некоторых соотношениях между периодами обращения четырех планет система стабилизируется. Таких устойчивых конфигураций нашли 6 штук, но вот проблема - ни одна из них не похожа на сегодняшнее распределение орбит планет-гигантов, во всех вариантах получается, что их орбиты должны быть гораздо ближе друг к другу.

И вот тут наконец начинается эта самая модель из Ниццы (названная в честь аффилиации предложивших ее в 2005г. астрономов).
Можно взять одну из этих шести стабильных конфигураций, и посмотреть, что с ней будет после того, как газовая часть диска рассеется:
Начальное состояние Солнечной системы
Цветными кольцами обозначены изначальные орбиты планет-гигантов: Юпитер с радиусом орбиты 5.45 астрономических единиц (сейчас большая полуось орбиты Юпитера составляет 5.20 а.е.), Сатурн с радиусом орбиты 8.45 а.е. (сейчас 9.58 а.е.), Уран с радиусом орбиты в пределах от 11 до 13 а.е. (сейчас большая полуось 19.23 а.е) и наконец Нептун с радиусом орбиты между 14 и 17 а.е. (сейчас 30.1 а.е).
Снаружи большое кольцо из мелких планеток (т.н. планетезималей), состоящих из замерзших газов, то есть попросту кометных ядер размерами от обычных и до больше Плутона (в числе оных и сам Плутон, собственно), простирающейся чуть дальше современной орбиты Нептуна, и общей массой целых 35 земных масс (для сравнения - масса Нептуна равна 17ти земным).

За счет взаимодействия с Ураном, Нептуном и Сатурном кометы из внешнего кольца перекидываются на орбиты внутри системы, момент импульса комет передается планетам, и из-за этого радиусы орбит планет увеличиваются (то есть происходит процесс, обратный к тому, который происходил когда существовал внутренний газовый диск). Юпитер же настолько тяжел, что приблизившиеся к нему кометы он не переводит на нижние орбиты, а попросту выкидывает из Солнечной системы (этот эффект  активно используется при полетах в космическое Замкадье), соответственно, он наоборот теряет импульс и приближается к Солнцу. Разница между периодами обращения Сатурна и Юпитера растет, и когда через несколько сот миллионов лет отношение между периодами достигает 2 к 1, наступают треш, угар и содомия:
После возникновения резонанса между Сатурном и Юпитером
Из-за резонанса, орбиты обеих планет, ранее почти круговые, начинают быстро наращивать эксцентриситет, становятся сильно эллиптическими, и Сатурн в афелии проходит близко от Урана и Нептуна, выкидывая их на сильно эллиптичные орбиты, проходящие прямо внутри внешнего пояса.

"На лиллипутской дискотеке Гулливера начало колбасить, а лиллипутов, соответственно, плющить", кометы начали выбрасываться из кольца в огромных количествах, часть падает на внутренние планеты (поздняя метеоритная бомбардировка, которая истыкала дырками сыр на Луне 4 миллиарда лет назад, и, по видимому, принесла на Землю всякие полезные ништяки: воду, ксенон, криптон, золото, платину...), часть взаимодействовала с Сатурном, продолжая увеличивать радиус его орбиты, часть оказывалась на сверхвысоких орбитах, формируя облако Оорта, а большая часть просто выбрасывалась в межзвездное пространство. Вот так эти 35 земных масс, выделенные на строительство кольца, были распилены, осталась только самая внешняя часть, ныне известная как пояс Койпера ...

Разбой, учиненный Ураном и Нептуном, не прошел безнаказанным и для них самих: из за взаимодействия с кометами их орбиты скруглились и стали современными:
Окончательный результат
(удивительно, но факт - расчеты показывают, что в ходе всей этой свистопляски с вероятностью 50% они могли поменяться местами, так что вполне возможно список первоначальных положений выглядел наоборот: Нептун на 11 а.е., Уран на 14 а.е.)
Сатурн из-за взаимодействия с кометами удалился от Солнца, ушел от разрушительного резонанса 1 к 2, и застрял вблизи безобидного резонанса 2 к 5.

Подвергнуть этот сценарий уничтожительной критике несложно - это, конечно, "всего лишь модель". То что она объясняет позднюю метеоритную бомбардировку и современные орбиты планет-гигантов, по большому счету, её не доказывает, поскольку она изначально и была сформулирована, чтобы их объяснить.

Но у нее есть много и других следствий. Она объясняет, например, откуда взялись троянские астероиды в точках Лагранжа L4 и L5 на орбите Юпитера, ведь сейчас эти точки динамически закрыты, то есть не только сами троянцы не могут из них уйти, но и новое тело не может к ним присоединится. Когда Юпитер с Сатурном были в резонансе 1:2, эти точки не были точками устойчивого равновесия, множество планетезималей из внешего кольца, убегавших от уранских погромов, случайно оказывались на орбите Юпитера, а когда резонанс исчез - оказались навеки заперты в L4 и L5 (вот и проверяемое предсказание - состав троянцев должен совпадать с телами пояса Койпера, а не с астероидами главного астероидного пояса). Вследствие той же бурной и резонансной эпохи образовались и "пустые места" в главном поясе астероидов. Некоторые особенности современного распределения объектов в поясе Койпера объясняются тем, что Нептун некоторое время имел сильно эллиптичную орбиту. Так же эта модель объясняет, откуда взялись иррегулярные спутники у планет-гигантов, то есть спутники, вращающиеся не в плоскости экватора планеты - это планетезимали, захваченные при трехтельном процессе (когда две планеты проходили близко к друг другу, и рядом оказывалась планетизималь, она могла передать часть своей энергии и момента импульса одной из планет и оказатся связанной с другой): рассчитанное распределение иррегулярных спутников по наклону, радиусу и эллиптичности орбит очень хорошо совпадает с реальной.

Все это хорошо, но, конечно, в вопросах, касающихся столь давних событий, для полной уверенности экспериментальных данных никогда не бывает много. Есть сложности и с теорией - протопланетный диск из расчетов получается настолько плотный, что Юпитер должен был ухнуть на Солнце всего за несколько сот лет, резонансный механизм стабилизации работоспособен только при гораздо меньших плотностях.

В общем, "de Seattle à Nice - la lutte" (c) граффити на стене студенческого кампуса, Лотарингия, начало 200х
Tags: обучаемся играя
Subscribe

  • Черная лента

    Сегодняшнее заседание нашего клуба любителей мегаломанских проектов сомнительной реализуемости мы посвятим разработке новой системы (почти)…

  • План "Адонис"

    «Мужчины хотят терраформировать Венеру, а женщины – Марс» Брайан Мэй После разработки метода отправки койпероида к внутренним…

  • Итеративный космический бильярд Оберта

    При терраформировании маловодных планет земной группы часто возникает необходимость доставки ледяных тел диаметром около 1000 км из пояса Койпера во…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 41 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

  • Черная лента

    Сегодняшнее заседание нашего клуба любителей мегаломанских проектов сомнительной реализуемости мы посвятим разработке новой системы (почти)…

  • План "Адонис"

    «Мужчины хотят терраформировать Венеру, а женщины – Марс» Брайан Мэй После разработки метода отправки койпероида к внутренним…

  • Итеративный космический бильярд Оберта

    При терраформировании маловодных планет земной группы часто возникает необходимость доставки ледяных тел диаметром около 1000 км из пояса Койпера во…