Что произойдет, если в Солнечной системе появится Суперземля

К настоящему времени астрономы обнаружили более 5000 подтвержденных экзопланет, еще тысячи ожидают подтверждения, и еще многие миллиарды ожидают открытия. Эти экзопланеты имеют огромное разнообразие размеров, состава, периодов обращения и практически всех других характеристик, которые можно измерить.

Фото из открытых источников

Изучение экзопланет также позволило узнать больше о Солнечной системе. Мы привыкли думать об этом как об архетипическом расположении планет, но теперь мы знаем, почему у нас нет Суперземли.

Суперземли - это класс планет, которые распространены вокруг других звезд. Они определяются только массой, от 2 до 10 масс Земли. Несмотря на то, что охотники за планетами обнаружили более 1500 из них, в Солнечной системе их нет.

Профессор планетарной астрофизики Стивен Кейн из Калифорнийского университета решил выяснить, что произойдет, если в нашей Солнечной системе появится Суперземля. Как это изменит нашу Солнечную систему? Приведет ли Суперземля нашу Солнечную систему в большее соответствие с некоторыми другими системами, которые мы видим в Млечном Пути? Будет ли Солнечная система вообще узнаваемой?

Чтобы выяснить это, он создал смоделированную Суперземлю в симуляции нашей Солнечной системы. Статья по результатам исследования «Динамические последствия Суперземли в Солнечной системе», единственным автором которой является Кейн, пока еще не прошла рецензирование.

В своей статье Кейн указывает на разрыв между размером и массой планет нашей Солнечной системы и что это значит для исследователей.

В настоящее время компьютерные модели и симуляции являются важной частью астрономии, и со временем они становятся все более подробными и мощными. Исследователи меняют входные данные, чтобы увидеть, как такие объекты, как солнечные системы и планеты, формируются и ведут себя в разных условиях. В этой работе Кейн поместил Суперземлю в Солнечную систему, чтобы посмотреть, что произойдет.

Кейн добавил планеты с массами от 1 до 10 масс Земли с шагом в 1 массу Земли. Он разместил планету в разных исходных положениях на круговых орбитах. Орбиты были копланарными с земными, а большая полуось колебалась от 2 до 4 астрономических единиц (а.е.) с шагом 0,01 а.е.

Моделирование показало, что внутренние планеты были более подвержены нестабильности из-за добавления Суперземли, чем внешние планеты.

«Широкая область в 2-4 а.е. содержит много мест MMR (резонанса среднего движения) с внутренними планетами, которые еще больше усиливают хаотическую эволюцию внутренней Солнечной системы», - говорится в документе.

«Хаотическая эволюция» - это еще мягко сказано. Добавление Суперземли меняет отношения между планетами и меняет всю архитектуру внутренней Солнечной системы.

Бедный Марс прошел только половину симуляции, а затем его выбросило. Меркурий прошел только одну треть пути через симуляцию, прежде чем взаимодействие с Венерой и Землей и их увеличивающийся эксцентриситет придали вращательный момент орбите Меркурия, оттолкнув его.

В другом прогоне моделирования Кейн поместил Суперземлю с 8 массами Земли на расстоянии 3,7 а.е. Это привело к небольшому первоначальному увеличению эксцентриситетов Земли и Венеры, которые затем, в сочетании с влиянием Юпитера, настолько сильно изменили орбиту Меркурия, что он снова был быстро выброшен. Катастрофическое удаление Меркурия затем изменило Землю и Венеру, придав им угловой момент на их орбитах.

«Это приводит к существенной периодической эволюции их орбит, как с высокочастотными, так и с низкочастотными изменениями их эксцентриситетов», - пишет Кейн.

Орбита Марса в этом сценарии относительно незатронута, хотя ее эксцентриситет «подвергается высокочастотным колебаниям из-за взаимодействия с внешними планетами».

Внешняя часть Солнечной системы также изменилась, хотя и не так сильно. Когда моделирование поместило планету с 7 массами Земли в 3,79 а.е., сначала мало что произошло. Но в конечном итоге происходят кардинальные изменения. Орбита Суперземли меняется, и ее большая полуось достигает 30 а.е. Примерно через 4 миллиона лет Суперземля будет выброшена из системы. Ее выброс передает угловой момент, и это оказывает «существенное влияние на эксцентриситеты Сатурна, Урана и Нептуна», - объясняет Кейн.

В другом моделировании введенная Суперземля также имела 7 масс Земли, а AU изменилась лишь незначительно, с 3,79 до 3,8. Суперземля снова была выброшена, а Юпитер и Сатурн испытали увеличенный эксцентриситет. Небольшое изменение также привело к потере Урана.

Кейн выполнил несколько тысяч запусков моделирования, и в зависимости от параметров некоторые из внутренних планет были выброшены, как и имплантированная в систему Суперземля. В других архитектурах ледяные гиганты также были выброшены. Но выброс - это только один результат, хотя и самый экстремальный.

Моделирование показало, что присутствие Суперземли может сделать орбиты других планет более эксцентричными. Это может нанести ущерб климату планеты, поскольку температура сильно колеблется в зависимости от того, где планета находится на своей эксцентричной орбите.

«Эти взаимодействия приводят к колебаниям эксцентриситетов орбит Венеры и Земли с большой амплитудой, создавая циклы Миланковича, которые потенциально могут повлиять на долгосрочный климат этих планет», - заключает Кейн.

Существует много суперземель, и остается открытым вопрос, насколько сильно их присутствие влияет на обитаемость в других системах.

«Зависимость планетарного климата от орбитальных взаимодействий с Суперземлями потребует дополнительных атмосферных данных и моделирования, чтобы определить, может ли присутствие таких планет (или их отсутствие) преимущественно приводить к климатическим эффектам, обусловленным эксцентриситетом», - объясняет автор.

Кейн называет отсутствие Суперземли «палкой о двух концах». С одной стороны, у нас нет возможности изучать Суперземлю так же внимательно, как мы можем изучать планеты земной группы, газовые гиганты или ледяные гиганты. Но присутствие Суперземли могло полностью изменить Солнечную систему и потенциально могло иметь катастрофические последствия для жизни.