Миграция планет-гигантов. 
Астрономия. 
Солнечная система

Исследование экзопланетных систем (планетных систем у других звезд) показало, что во многих случаях массивные газовые гиганты, порой существенно превышающие Юпитер по массе, находятся на очень «низких» орбитах возле своих звезд — на порядок ближе Меркурия, с периодами обращения в несколько суток. При малых расстояниях до родительской звезды температура атмосферы планеты (а не только ее глубинных слоев) вырастает до первых тысяч градусов. Такие близкие к звезде планетыгиганты получили название горячие юпитеры. В других планетных системах обнаружены, кроме того, и гиганты на вытянутых орбитах (в Солнечной системе все планеты движутся по орбитам с малыми эксцентриситетами) .

Радикальные отличия строения множества планетных систем от структуры Солнечной системы, в том числе обнаружение гигантов на малых расстояниях от звезд (там, где они не могли сформироваться) привели к своеобразному кризису в космогонии на рубеже XX — XXI веков. Но, как это обычно бывает, по мере накопления данных о структуре других планетных систем и осмысления этих данных появились новые идеи о возможных сценариях развития Солнечной системы.

Расчеты показывают, что при росте массы планет-гигантов за счет аккреции пыли и газа неизбежно их приближение к центральной звезде — уменьшение больших полуосей орбит со временем. Такой процесс называется миграцией планет. Таким образом, нахождение массивных планет вблизи звезды получило объяснение — образовавшаяся на высокой орбите планета-гигант могла мигрировать с высокой орбиты на низкую, приближаясь к центру масс.

Но почему это не произошло, например, с Юпитером в Солнечной системе?

Дело в том, что в системах с горячими юпитерами массивная планета, согласно наблюдениям, является единственной возле звезды. На структуру Солнечной системы, согласно современным моделям, повлияло то обстоятельство, что большая масса и высокая плотность пыли и газа в «нашем» протопланетном облаке позволила сформироваться не одному, а нескольким гигантам. Несколько планет-гигантов, как показали расчеты, могут удержать друг друга от глубокой миграции к Солнцу за счет динамических эффектов. Но для этого нужно, чтобы их орбиты были существенно ближе друг к другу, чем они находятся сейчас.

По-видимому, Юпитер и Сатурн сформировались гораздо ближе друг к другу, чем они расположены в наше время. Резонанс между периодами обращения Юпитера и Сатурна составлял не 5: 2, как сейчас, а 3: 2 (в этом случае среднее расстояние между орбитами двух газовых гигантов составляло не 4,3 а. е., а всего 1,6 а. е.). Резонанс с Сатурном не позволил Юпитеру «опуститься» к Солнцу. Сатурн же не мигрировал к Солнцу, поскольку он совместно с Юпитером проделал в газовопылевом облаке кольцо разрежения (планетезимали, газ и пыль из этой области аккрецировали на гиганты), и динамическое трение Сатурна при его движении внутри диска существенно уменьшилось.

Расчеты показали, что взаимное влияние четырех гигантов на близких орбитах (самая дальняя — не дальше 17 а. е. от Солнца) могло предотвратить миграцию. Устойчивые решения этой математической задачи оказались возможными при условии выполнения орбитального резонанса 3: 2 между периодами обращения Юпитера и Сатурна.

В 2005 г. группа исследователей (Р. Гомес, К. Циганис, А. Морбиделли и их соавторы) из Обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция) опубликовала в журнале Nature серию из трех статей, содержащих результаты численных комплексных расчетов эволюции структуры Солнечной системы. Этот сценарий получил название «модель Ниццы» и был развит в последующих работах (2011 г.).

Основные моменты модели Ниццы сводятся к следующему.

По-видимому, в молодой Солнечной системе, сформировавшейся из плотного газово-пылевого диска, присутствовал мощный протяженный пояс Койпера, в котором сформировались множественные ледяные планетезимали общей массой не менее 35 масс Земли. Гипотезе о большой массе начального диска и его периферии вполне отвечает сам факт существования, как минимум, четырех массивных планет-гигантов (им было из чего сформироваться). Ледяные гиганты Уран и Нептун (вероятнее всего, более массивный Нептун раньше был ближе к Солнцу, чем Уран) двигались вокруг Солнца внутри плотного пояса Койпера. Постоянно проходя вблизи ледяных гигантов, планетезимали изменяли свои орбиты, которые становились более вытянутыми и более близкими к Солнцу. Планетезимали, проходя вблизи Сатурна и особенно Юпитера, меняли параметры своих орбит: под воздействием мощного тяготения газовых гигантов они выбрасывались на вытянутые орбиты с огромными эксцентриситетами, постепенно формируя облако Оорта, либо даже покидая навсегда Солнечную систему. Другая часть ледяных планетезималей, наоборот, забрасывалась Юпитером в сторону Солнца, где они попадали в зону формирования будущих планет земной группы.

Интенсивный обмен орбитальным моментом импульса между массивными планетами и планетезималями, пылью и газом диска в результате динамического взаимодействия, как правило, приводит к потере момента импульса планетами и их смещению в сторону центра масс, т. е. к звезде. Этот процесс называется миграцией. В случае с Юпитером, который, судя по всему, в результате взаимодействия с веществом диска двинулся к Солнцу, возник термин атака Юпитера.

В ходе изменения больших полуосей орбит Юпитера и Сатурна за счет миграции они попали в резонанс 1: 2. Это привело к ряду серьезных последствий. Во-первых, в зоне орбит Юпитера и Сатурна стали еще интенсивнее возникать крутильные моменты (вихри), усилившие аккрецию вещества диска на растущие планеты. Во-вторых, аккреция и крутильные моменты замедлили миграцию Юпитера и Сатурна к Солнцу и в конечном итоге изменили ее направление (этот процесс получил название смена галса).

Обмен импульсом между Юпитером и Сатурном в эпоху их резонанса привел к вытягиванию их орбит и приближению орбиты Сатурна в афелии к орбитам Нептуна и Урана. Под влиянием Сатурна орбиты ледяных гигантов тоже стали эллиптическими (как сказано выше, эллиптические орбиты гигантов наблюдаются и в других планетных системах).

Нептун, погружаясь в афелии в плотные слои пояса Койпера, изменил орбиты множества ледяных планетезималей, которые устремились во внутренние области Солнечной системы, их поток вырос в тысячи раз. Именно этот поток, согласно рассматриваемой модели, породил феномен поздней тяжелой бомбардировки, продолжавшейся не менее 400 млн лет. Импактные кратеры, возникшие в те времена, мы до сих пор наблюдаем на твердых телах Солнечной системы (прежде всего на безатмосферных).

Гравитационное воздействие ледяных гигантов (прежде всего Нептуна) привело к эрозии и разрушению пояса Койпера: 99% его массы оказались выброшенными в облако Оорта, на вытянутые орбиты кометного типа, а также в околосолнечную область. Множество ледяных тел столкнулось с планетами. К настоящему времени в поясе Койпера осталось не более 1% от общего количества ледяных планетезималей, которые находились здесь изначально.

Временная эллиптичность орбит ледяных гигантов на этом этапе могла привести к еще одному следствию. Расчеты показывают, что близкие (и частые из-за резонанса) сближения Нептуна, Урана или, возможно, еще одного (третьего) ледяного гиганта в перигелии орбиты с Юпитером в афелии его орбиты могли привести к своеобразной катастрофе. Возможно, что еще до смены галса Юпитер скачком перешел на низкую орбиту (ближе к Солнцу, вплоть до 1,5 а. е.), а ледяной гигант переместился, наоборот, на высокую орбиту, а возможно, даже оказался выброшенным из Солнечной системы (если это был третий ледяной гигант, сопоставимый по массе с Ураном и Нептуном).

Скачок Юпитера в зону ближе ледяной линии привел к опустошению этой области (поэтому Марс оказался маленькой планетой — после прыжка Юпитера здесь не из чего было сформироваться крупному объекту).

Дальнейшее гравитационное взаимодействие Нептуна, проникшего в плотные слои пояса Койпера, с многочисленными ледяными планетезималями, привело к постепенному «скруглению» орбиты Нептуна, но уже на большем, чем ранее, расстоянии от Солнца (на этом этапе, либо после близкого контакта с Юпитером, он поменялся местами с Ураном). Сходные процессы происходили с Ураном и Сатурном — их орбиты скруглялись, удаляясь от Солнца, при этом Сатурн ушел от резонанса 2:1с Юпитером. На протяжении нескольких миллионов лет система гигантов приняла окончательный вид.