В конце XVIII века французские математики Пьер-Симон Лаплас и Жозеф Лагранж разработали теорию возмущений, позволяющую учитывать гравитационное влияние планет друг на друга. Ученые показали, что изменения в орбитах планет — такие как эксцентриситеты и наклоны — происходят периодически и не приводят к разрушению системы. Таким образом, средние расстояния планет от Солнца остаются практически неизменными, что свидетельствует о долгосрочной устойчивости Солнечной системы.
Однако в XX веке астрономы обнаружили скрытую хаотичность. Оказалось, планеты постоянно «подталкивают» друг друга гравитацией. Сначала эти толчки почти незаметны, но за миллиарды лет они «накапливаются», что может привести к непредсказуемым последствиям.
Особую опасность представляет резонанс между Меркурием и Юпитером. Если орбиты этих планет совпадут определенным образом, самая маленькая планета системы может сорваться с орбиты. В 2009 году французский астроном Жак Ласкар провел статистические численные эксперименты, которые показали однопроцентную вероятность такого столкновения в ближайшие пять миллиардов лет.
Но есть и внешние угрозы. Звезды в Млечном Пути постоянно движутся, и некоторые подходят близко к Солнцу. До недавнего времени считалось, что для реального разрушения планетной системы (выброс планет, серьезные изменения орбит) требуется достаточно близкий пролет звезды — порядка 100–150 астрономических единиц. По расчетам, такие события крайне редки — вероятность их возникновения составляет всего один процент за миллиарды лет.
Физик предложил новую модель Вселенной без темной материи и темной энергии
Теперь французский астроном Шон Рэймонд (Sean Raymond) из Университета Бордо и его американский коллега Натан Кейб (Nathan Kaib) из Планетологического института в Аризоне обнаружили, что нарушить баланс нашей планетной системы могут и постоянно пролетающие мимо Солнца звезды. Ученые провели серию компьютерных симуляций, чтобы оценить влияние пролетающих светил на стабильность Солнечной системы.
Исследователи создали пять «виртуальных копий» Солнечной системы с восемью планетами и Плутоном. Каждую модель «прогнали» через тысячу сценариев, при каждом запуске ученые немного меняли положение всех девяти космических тел. В симуляции также учли реальные данные о тысячах звезд, которые сейчас находятся рядом с нами.
Выяснилось, что из-за пролетающих мимо звезд шанс того, что какая-либо планета в Солнечной системе сойдет с орбиты, на 50% выше, чем если учитывать только внутренние причины. По словам одного из исследователей, «сбой» из-за пролета звезды может произойти в любой момент, тогда как естественные изменения в орбитах планет случатся только через 4–5 миллиардов лет. Поэтому пролетающие светила — самая серьезная угроза для стабильности Солнечной системы в ближайшие несколько миллиардов лет.
Астрономы впервые увидели полярное сияние на Нептуне
Особенно уязвимыми оказались Плутон и Меркурий. Ранее считалось, что карликовая планета остается стабильной благодаря гравитационному влиянию Нептуна, и риск схода ее с орбиты практически нулевой. Однако симуляция показала, что Плутон имеет пятипроцентную вероятность такого сценария.
Шансы на то, что орбита Меркурия станет хаотичной, увеличились на 50–80% по сравнению с предыдущими оценками, хотя абсолютный риск остается небольшим — 0,6% в течение следующих нескольких миллиардов лет. Аналогичные риски существуют и для других планет: для Марса — 0,3%, для Венеры — 0,2%, для Земли — 0,05%. Кроме того, модели показали: вероятность изменения земной орбиты таким образом, что это приведет к значительному потеплению климата, составляет 0,3%.
«Раньше мы думали, что главная угроза стабильности Солнечной системы — внутренние резонансы, которые проявятся через 4–5 миллиардов лет. Теперь ясно: звездные пролеты гораздо опаснее. Такого рода события могут произойти в ближайшие несколько миллиардов лет», — пояснил Рэймонд.
В самой далекой галактике нашли кислород
Механизм катастрофы прост: гравитация пролетающей звезды меняет орбиты внешних планет. Это создает цепную реакцию, нарушающую баланс во всей системе. Например, смещение Урана может повлиять на Сатурн, который «подтолкнет» Юпитер, а тот дестабилизирует внутренние планеты.
Через пять миллиардов лет Солнце все равно превратится в белого карлика и разрушит внутренние планеты. Но выводы астрономов помогают понять, почему в атмосферах примерно 1500 известных белых карликов уже есть следы «разбитых» планет.
Рэймонд объяснил, что каждая пролетевшая мимо звезда оставляет свой «отпечаток» в истории планетной системы. Сейчас ученые только начинают разбираться, как такие встречи между звездами и системами меняют судьбы планет в нашей галактике.
Выводы ученых опубликованы на сайте электронного архива научных статей и их препринтов arXiv.org.