Между Марсом и Юпитером: Солнечная система сразу после рождения разделилась на две независимые области

Исследование, проведенное специалистами Массачусетского технологического института (MIT) на основе анализа древних метеоритов — фрагментов астероидов, упавших на Землю из космоса, показало, что разрыв между двумя областями существовал уже около 4,567 миллиарда лет назад, когда Солнечная система только формировалась.

Затем разрыв увеличился, превратившись в расстояние между Марсом и Юпитером. И с тех пор в Солнечной системе существуют две области с внутренними и внешними планетами.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Исследователи не знают точно, что сформировало этот разрыв. В числе версий – гравитационное влияние молодого Юпитера и «звездные ветры» — потоки частиц, возникшие под влиянием солнечного магнитного поля и «выдувавшие» часть материи на периферию Солнечной системы.

В настоящее время первые четыре планеты от Солнца, Меркурий, Венера, Земля и Марс, образуют внутреннюю часть Солнечной системы, а последние четыре — Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран, составляют ее внешнюю часть. Промежуток орбитами Марса и Юпитера, в котором находится пояс астероидов, составляет 3,68 а.е. (астрономических единиц) или 547,59 млн км.

Надо сказать, что это не самый большой разрыв между орбитами соседних планет в Солнечной системе. Наибольшим средним расстоянием между двумя планетными орбитами сегодня является расстояние между орбитами Урана и Нептуна: 10,88 а.е. или 1,62 млрд км. Однако качественный разрыв между планетами внутренней и внешней частей Солнечной системы совершенно очевиден. В то же время Уран и Нептун во многом схожи друг с другом.

Авторы исследования не могут определить размер исторического разрыва, который первоначально был просто дырой в протопланетном диске, но он, по их мнению, был бы намного меньше, чем нынешнее расстояние между орбитами Марса и Юпитера. Затем протопланетный диск из пыли и газа, вращаясь вокруг Солнца постепенно сформировался в планеты, которые мы знаем сегодня. Наличие же разрыва могло существенно влиять на состав планет Солнечной системы, не давая материалам по обе стороны от него взаимодействовать.

В результате, на внутренней стороне разрыва газ и пыль объединились в скалистые планеты земной группы, включая Землю и Марс, в то время как более легкие элементы, вытесненные в дальнюю от звезды часть диска, по другую сторону разрыва, образовали Юпитер и другие, соседние с ним, газовые гиганты.

Первоначальное появление разрывов в протопланетном диске могло быть обусловлено множеством случайных событий, но их дальнейший рост и углубление остаются пока загадкой. Одна из версий предполагает влияние Юпитера: когда газовый гигант обрел форму, его огромная гравитационная сила могла подтолкнуть газ и пыль к окраинам, расширяя брешь в развивающемся диске.

«В последнее десятилетие наблюдения показали, что полости, промежутки и кольца являются обычным явлением в дисках вокруг молодых звезд», — сказал планетолог Бенджамин Вайс, один из авторов работы. «Это важные, но плохо изученные признаки физических процессов, посредством которых газ и пыль превращаются в планеты».

Другое объяснение роста и закрепления разрыва, не исключающее, впрочем, первое, связано с «солнечными ветрами». Ранние звезды обладают сильными магнитными полями. Когда эти поля взаимодействуют с вращающимся диском из газа и пыли, они могут производить электромагнитный «ветер», достаточно мощный, чтобы выдуть материал, оставляя в диске зазор.

Выводы и предположения авторов статьи хорошо согласуются с различиями в составе метеоритов, достигших Земли. Эти космические камни изначально формировались в разное время и в разных местах по мере того, как формировалась Солнечная система.

Метеориты распадаются на два класса, содержащие различные комбинации изотопов, неуглеродистые и углеродистые. Это явление известно, как «изотопная дихотомия». Ранее ученые уже предполагали, изотопная дихотомия может быть результатом разрыва в диске ранней Солнечной системы, но такой разрыв не получил в то время прямого подтверждения. Кроме того, обнаруживаются метеориты, относящиеся по составу сразу к обоим классам.

Группа профессора Вайса стала анализировать метеориты на предмет выявления следов воздействия древних магнитных полей. Когда древняя пыль собиралась в протометеоритные зерна, известные как хондры, атомы внутри хондр выстраивались в структуры, в соответствии с магнитным полем, в котором они образовались. При дальнейшем уплотнении хондр это вызывало их остаточную намагниченность. Хондры, обнаруживаемые сегодня в метеоритах, могут быть меньше диаметра человеческого волоса, но также могут быть довольно большими.

При этом, по мере развития Солнца и планетной системы сила и направление магнитных полей могут меняться, в зависимости от различных процессов внутри развивающегося диска.

В предыдущей работе группа проанализировала образцы одной из двух изотопных групп метеоритов, известных как неуглеродистые метеориты. Считается, что эти породы образовались в «резервуаре» или области ранней Солнечной системы, относительно близкой к Солнцу. Используя образцы из этой, близкой к Солнцу, области, группа профессора Вайса идентифицировала и описала древнее магнитное поле, имевшееся в ней.

В своем новом исследовании ученые задались вопросом, насколько иным будет магнитное поле, под влиянием которого сформировалась вторая, «углеродистая» группе метеоритов. Судя по изотопному составу, углеродистые метеориты формировались дальше от Солнца.

К своему удивлению, исследователи обнаружили, что напряженность магнитного поля, в котором формировались хондры углеродистых метеоритов была примерно вдвое выше, чем поля, в котором формировались хондры неуглеродистых: около 100 микротеслов против 50 микротеслов. Между тем, ученые ожидали, что сила магнитного поля, воздействующего на протопланетный диск должна уменьшаться по мере увеличения расстояния от Солнца. В то же время, факт образования неуглеродистых метеоритов ближе к Солнцу, а углеродистых – дальше, подтверждался рядом других доказательств, и, в связи с этим, не подлежал пересмотру.

Магнитное поле планетной системы является мерой скорости ее аккреции, то есть, определяет количество газа и пыли, которое она может вовлечь в свой центр с течением времени. И, судя по магнитному полю, сопровождавшему образование углеродистых хондр, внешняя область Солнечной системы должна была накапливать гораздо больше массы, чем внутренняя область. С учетом соотношения суммарных масс внутренних и внешних планет как 1:225 (возможно, и больше), именно это и происходило.

Но, во-первых, как это стало возможным?  Что было источником магнитных полей помимо Солнца? А, во-вторых, для разницы в напряженностях магнитного поля всего в два раза, разрыв по массе слишком велик.

Исследуя модели различных сценариев, команда пришла к выводу, что наиболее вероятным объяснением несоответствия в темпах аккреции, является наличие зазора между внутренней и внешней областями, и большого влияния на аккрецию внешних планет их собственных магнитных полей, в первую очередь – магнитного поля рано сформировавшегося прото-Юпитера.

А что там с Плутоном?

Плутон — это не планета, а карликовая планета.

В 2006 году Международный астрономический союз (глобальная группа экспертов по астрономии), установил определение планеты. Одним из условий, которому должна соответствовать планета, — это то, что она «очищает» свою орбиту — другими словами, обладает на ней самой большой гравитационной силой. Поскольку гравитация Нептуна влияет на соседнюю планету Плутон, а Плутон делит свою орбиту с замороженными газами и объектами в поясе Койпера, это означало, что Плутон потерял статус планеты.

Наблюдая газопылевые диски вокруг молодых звезд возрастом всего от одного до трех миллионов лет, ученые показали, что планеты могут формироваться в разы быстрее, чем считалось ранее.

По материалам The Daily Mail и Science Advances.

Читайте также:

Солнечная система могла сформироваться в результате столкновения галактик

Юпитер виновен в том, что Венера непригодна для жизни