СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ И УСТРОЙСТВО

Наша Солнечная система - это, если задуматься, удивительно уютное и одновременно крайне странное место. Восемь планет (сорян, Плутон!), сотни спутников, миллионы астероидов, кометы, пыль и газ - всё это кружится вокруг обычной жёлтой звезды, каких в Галактике миллиарды. Мы так привыкли к этой картине, что редко задумываемся, насколько она необычна и насколько трудным был путь человечества к её пониманию. Ещё четыре века назад люди всерьёз полагали, что Земля - центр мироздания, а Солнце, планеты и звёзды вращаются вокруг неё. Сегодня мы знаем, что всё обстоит ровно наоборот, и более того - мы можем рассказать, откуда взялись все эти миры, почему они выстроились именно в таком порядке, куда подевались гипотетические планеты, которых не хватает в наших моделях, и что ждёт Солнечную систему в далёком будущем. Но чем больше мы узнаём, тем яснее видим, что наша космическая колыбель полна загадок, а её история гораздо запутаннее, чем казалось даже в середине прошлого века.

Всё началось около четырёх с половиной миллиардов лет назад, когда в одном из спиральных рукавов Млечного Пути существовало гигантское холодное облако газа и пыли, оставшееся от предыдущих поколений звёзд. Такие облака называют молекулярными, потому что в них водород существует преимущественно в виде молекул, а не отдельных атомов. Температура в этом облаке едва превышала десять кельвинов, а плотность была столь низкой, что по земным меркам это был бы идеальный вакуум. Но, как это часто бывает в астрофизике, достаточно было небольшого толчка, чтобы в облаке запустился процесс гравитационного коллапса. Что послужило толчком - взрыв близкой сверхновой, прохождение через спиральный рукав или просто случайное сгущение - мы не знаем точно, но в итоге часть облака начала сжиматься под собственной тяжестью. Поскольку облако обладало небольшим начальным вращением, при сжатии оно, как фигуристка, прижимающая руки к телу, раскручивалось всё быстрее, и в центре формировалось плотное ядро - будущее Солнце. Остальное вещество, подчиняясь законам сохранения момента импульса, расплющивалось в тонкий вращающийся диск - протопланетный, или аккреционный, диск. Именно из этого диска и родились планеты, спутники, астероиды и кометы.

Современная теория происхождения Солнечной системы, известная как небулярная гипотеза, уходит корнями в идеи Иммануила Канта и Пьера-Симона Лапласа, высказанные ещё в XVIII веке. Но если Кант рассуждал чисто умозрительно, то сегодня мы имеем возможность наблюдать процесс формирования планетных систем вживую. Радиотелескопы, такие как ALMA в чилийской пустыне Атакама, делают потрясающие снимки протопланетных дисков у молодых звёзд, на которых видны кольца, разрывы и спиральные структуры - следы уже рождающихся планет. Сравнивая эти наблюдения с моделями, астрофизики восстанавливают детали процесса, который в нашей собственной системе завершился более четырёх миллиардов лет назад. И выясняется, что рождение планет - это не спокойный, постепенный рост, а череда бурных событий, включающая слипание пылинок, образование планетезималей, их быстрый рост за счёт аккреции, столкновения и миграцию.

Первые шаги планетообразования начинаются с микроскопических частиц пыли, состоящих из силикатов, металлов и льдов. В диске эти частицы сталкиваются, слипаются под действием электростатических сил и постепенно растут, превращаясь в сантиметровые, а затем метровые и километровые тела - планетезимали. Этот этап до сих пор остаётся самым загадочным, потому что на размерах от миллиметра до метра рост должен останавливаться: частицы слишком быстро сдуваются газом и падают на звезду. Однако природа, как всегда, нашла обходные пути: возможно, важную роль играют турбулентность в диске, гравитационная нестабильность скоплений пыли или пористость агрегатов, позволяющая им переживать удары. Так или иначе, когда тела достигают километровых размеров, в дело вступает гравитация, и они начинают собирать на себя всё больше вещества, становясь планетными зародышами. В зоне, где температуры были достаточно низкими для конденсации льдов, за снеговой линией, находившейся примерно на расстоянии современного пояса астероидов, этих строительных материалов было гораздо больше, поэтому внешние планеты росли быстрее и достигли больших масс. Внутренняя часть диска была слишком горячей для льдов, и там формировались каменистые тела, обеднённые летучими веществами.

Через несколько миллионов лет после рождения Солнца газ в диске начал рассеиваться под действием ультрафиолетового излучения самой звезды и мощных потоков заряженных частиц, которые астрофизики называют звёздным ветром. Планеты-гиганты, успевшие нарастить себе массивные газовые оболочки, остались в окружении газа до самого конца, а каменистые планеты, которые росли медленнее, в основном завершили свою аккрецию уже после исчезновения газа. В этот период в системе царил настоящий хаос: протопланеты сталкивались, дробились и сливались. Именно так, по мнению большинства исследователей, Земля приобрела свой спутник: примерно через несколько десятков миллионов лет после формирования в неё врезалось тело размером с Марс, которое астрономы назвали Тейя, и обломки этого столкновения, выброшенные на орбиту, со временем собрались в Луну. Эта гипотеза, известная как гигантское столкновение, хорошо объясняет многие странности Луны: её относительно малую плотность, отсутствие железного ядра, сходство изотопного состава с земной мантией. Венере повезло меньше: она, судя по всему, пережила какое-то чудовищное столкновение, которое перевернуло её вращение, заставив планету вращаться в обратную сторону и очень медленно. А Меркурий и вовсе потерял почти всю свою мантию, оставшись с непропорционально большим железным ядром, возможно, из-за сильного удара на позднем этапе.

Внешние планеты тоже не сидели на месте. Современные модели показывают, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун первоначально сформировались гораздо ближе к Солнцу, чем находятся сейчас, а затем мигрировали. Наиболее известна модель Ниццы, названная в честь французского города, где её разработали в 2005 году. Согласно этой модели, через несколько сотен миллионов лет после образования Солнечной системы гравитационные взаимодействия с внешним диском планетезималей заставили Юпитер и Сатурн войти в резонанс, а затем резко сместиться: Юпитер немного приблизился к Солнцу, Сатурн отодвинулся, а Уран и Нептун были выброшены далеко наружу, где они расталкивали и рассеивали древний пояс ледяных тел. Это объясняет многие странности современной Солнечной системы: наклон орбит гигантов, существование троянских астероидов, захваченных в лагранжевы точки, и катастрофическую бомбардировку внутренних планет, оставившую шрамы на Луне, Меркурии и Марсе. Миграция планет также объясняет, почему в нашей системе нет «суперземель», которые, как мы теперь знаем из наблюдений экзопланет, являются самым распространённым типом планет в Галактике. Похоже, что Юпитер своей мощной гравитацией сыграл роль космического бульдозера, вычистив внутреннюю часть системы и не дав сформироваться крупным каменистым планетам. В этом смысле наша Солнечная система, возможно, является не типичной, а скорее исключением, что, впрочем, не умаляет её ценности для нас.

Говоря об устройстве Солнечной системы, мы привыкли перечислять планеты по порядку: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Но за этой простотой скрывается чёткое деление на две группы, которые сформировались по разные стороны снеговой линии. Внутренние, каменистые планеты малы, плотны, бедны летучими веществами и имеют мало спутников. Внешние, газовые и ледяные гиганты огромны, обладают мощными атмосферами и роскошными свитами лун. Переходную зону занимает пояс астероидов - множество каменистых обломков, которые так и не смогли слиться в полноценную планету из-за гравитационных возмущений Юпитера. За орбитой Нептуна простирается пояс Койпера - холодный диск из ледяных тел, где находятся карликовые планеты Плутон, Эрида, Макемаке и Хаумеа, а ещё дальше, возможно, до расстояния в световой год, раскинулось гипотетическое облако Оорта - сферический резервуар долгопериодических комет, который никто пока не наблюдал напрямую, но в существовании которого мало кто сомневается. Вся эта структура - от разогретого Меркурия до ледяных глыб в облаке Оорта - отражает историю формирования и эволюции системы, и каждая её деталь рассказывает свою часть истории.

Кстати, о Плутоне. Его понижение в статусе в 2006 году, когда Международный астрономический союз ввёл новое определение планеты, стало, пожалуй, самой громкой астрономической дискуссией последних десятилетий, вышедшей далеко за пределы профессионального сообщества. По новым критериям, чтобы называться планетой, тело должно обращаться вокруг Солнца, обладать достаточной массой, чтобы принять гидростатически равновесную, то есть почти сферическую форму, и расчистить окрестности своей орбиты. Плутон не выполняет третий пункт, поскольку делит пояс Койпера с тысячами других объектов, и потому был переведён в новую категорию карликовых планет. Это решение вызвало бурные споры, и до сих пор ряд учёных, в том числе такие известные, как Алан Стерн, руководитель миссии New Horizons, настаивают на том, что определение слишком строгое и что Плутон, по сути, является планетой, просто особого класса. Их аргументы не лишены смысла: если бы Земля оказалась на месте Плутона, она тоже не смогла бы расчистить свою орбиту, так что критерий зависит от местоположения. Тем не менее пока доминирует трёхчастное определение, и в Солнечной системе официально восемь планет, пять карликовых планет и, вероятно, ещё десятки кандидатов в карликовые планеты, ждущих подтверждения.

Одной из самых интригующих современных загадок остаётся гипотетическая девятая планета. В 2016 году астрономы Константин Батыгин и Майкл Браун, анализируя орбиты нескольких экстремально удалённых объектов пояса Койпера, обнаружили, что их перигелии выстроены удивительно согласованно, и объяснить это можно присутствием массивной планеты с массой в несколько масс Земли, обращающейся далеко за Нептуном. Эта планета, если она существует, ещё не наблюдалась напрямую, но её поиск активно ведётся. Существует и альтернативная, более еретическая гипотеза, что вместо планеты там может быть первичная чёрная дыра небольшой массы (что, страшно?), но она пока остаётся экзотикой. Возможно, будущие обзоры неба, такие как телескоп Веры Рубин, наконец дадут ответ. Пока же Девятая планета остаётся захватывающим напоминанием о том, что даже в нашей собственной системе могут скрываться крупные объекты, о которых мы ещё не знаем.

Современные исследования Солнечной системы - это не только астрономия, но и геология, химия, метеорология и даже биология. Мы отправили зонды к каждой планете, посадили аппараты на Марс, Титан и комету Чурюмова-Герасименко, пролетели мимо Плутона и его спутников, собрали образцы астероидов Рюгу и Бенну. Анализ этих данных раскрывает удивительные миры: под ледяной корой Европы и Энцелада скрываются океаны жидкой воды, которые могут быть пригодны для жизни; на Марсе в древности текли реки и плескались озёра; на Титане идут метановые дожди и существуют углеводородные моря. Мы начинаем понимать, что Солнечная система - это не просто набор безжизненных шаров, а сложная, взаимосвязанная система, в которой происходила и, возможно, до сих пор происходит химическая эволюция, приближающая нас к ответу на вопрос о происхождении жизни. И хотя мы ещё не нашли жизнь за пределами Земли, сам факт того, что мы можем её искать в океанах Европы или в атмосфере Венеры, где недавно были обнаружены возможные следы фосфина, говорит о том, насколько далеко шагнула наука.

Если же заглянуть в будущее, то и здесь у Солнечной системы есть своя драма. Через пять миллиардов лет Солнце, исчерпав водород в ядре, превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий, Венеру и, возможно, Землю. Затем оно сбросит внешние оболочки и станет белым карликом, а оставшиеся планеты продолжат обращаться вокруг остывающего ядра. Задолго до этого, через два-три миллиарда лет, светимость Солнца вырастет настолько, что на Земле исчезнет жидкая вода, и жизнь, если она к тому времени не найдёт способ переселиться или укрыться, прекратится. Это мрачноватая перспектива, но она подчёркивает, что Солнечная система, как и всё во Вселенной, эволюционирует, и её нынешнее состояние - лишь краткий миг в долгой истории. Осознание этого, впрочем, не должно нас печалить. Напротив, оно придаёт особую ценность тому, что мы имеем сейчас: уютный, тёплый мир с голубым небом, жидкой водой и разнообразной жизнью. И чем лучше мы понимаем, как этот мир возник и как устроен, тем больше восхищаемся и тем ответственнее, хочется верить, будем к нему относиться.