Чтобы понять, что делает резонанс настолько стабильным, давайте возьмем в качестве примера две планеты с орбитальным резонансом 1:2. Эти две планеты — Сатурн и Юпитер: первый успевает облететь Солнце дважды, пока второй совершает один полный оборот. При движении по первой половине орбиты Сатурн находится позади Юпитера, и гравитация более крупной планеты тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн оказывается впереди Юпитера, и тот его тянет назад. Таким образом, силы уравновешивают друг друга, и планеты продолжают лететь вокруг Солнца по своим орбитам. Но стоит двум планетам чуть приблизиться друг к другу, как баланс тут же нарушается. Тогда на Сатурн начинает действовать сила, которая тянет его наружу, заставляя планету ускоряться. В итоге Сатурн снова возвращается на резонансную орбиту. Между планетами с другими орбитальными резонансами (например, 2:3 или 1:4) поддерживается точно такой же баланс.
В силу своей стабильности резонансные орбиты не редкость в планетных системах. Например, пока Плутон совершает один оборот вокруг Солнца, Нептун облетает звезду три раза. Спутники Ганимед, Европа и Ио обращаются вокруг Юпитера в резонансе 1:2:4.
Когда Юпитер и Сатурн достигают резонанса 2:3, в результате сближения разрыв вокруг Юпитера и частичный разрыв вокруг Сатурна пересекаются. Юпитер перестает подвергаться воздействию газа с внешней стороны орбиты, и его продолжает тянуть только газ внутри орбиты, который движется с большей скоростью. Что касается Сатурна, он вынужден преодолевать сопротивление газа с внешней стороны орбиты. В результате Сатурн стремится мигрировать по спирали вниз, а Юпитер — вверх. Учитывая, что они движутся по резонансным орбитам, при попытке проследовать мимо друг друга планеты отталкиваются. В этом противостоянии побеждает сильнейший, то есть Юпитер с его более мощной гравитацией. Обе планеты мигрируют к краю Солнечной системы, поглощая на своем пути планетезимали в диске как раз там, где позже будет формироваться Марс.
По возвращении во внешнюю часть Солнечной системы пара планет рассеивает планетезимали, занявшие их прежние места. Выталкиваемые ими каменистые небесные тела покрыты толстым слоем льда, так как их формирование проходило в этой области, за снеговой линией. Они разлетаются во всех направлениях. При этом некоторая их часть заканчивает свой путь в поясе астероидов, превращаясь в богатые водой астероиды класса C. Другие следуют дальше и, возможно, сталкиваются с только что сформировавшейся Землей, обеспечивая водой ее океаны.
Маневр Юпитера и Сатурна также остановил смещение Урана и Нептуна по направлению к Солнцу. После формирования и начала миграции газовые гиганты меньшего размера также рискуют оказаться в ловушке резонансных орбит. Из-за этого планетам очень трудно проскальзывать мимо своих более крупных собратьев и продолжать движение к Солнцу.
Модель смены галса была предложена астрономами Кевином Уолшем и Алессандро Морбиделли в 2011 в г. в статье в журнале Nature. Убедившись в том, что модель смены галса успешно отображает и маленький размер Марса, и астероиды, Морбиделли зашел в кабинет Уолша и признался, что накануне вечером он погрозил пальцем планете-гиганту и сказал: «Юпитер! Я знаю, что ты натворил!»
Когда Юпитер и Сатурн приблизились к своим нынешним орбитам, протопланетный диск рассеялся. Наконец наступил момент, когда сопротивление газа движению планет прекратилось. Но картина образования Солнечной системы не будет полной без еще одной рокировки.
Мы до сих пор не уверены в том, что именно спровоцировало этот беспорядок. Существует две основные гипотезы: модель Ниццы (само название отсылает к голливудским блокбастерам) и модель Ниццы II. Согласно обоим сценариям, причиной хаоса стали отходы фабрики планет.
Сразу за газовыми гигантами начинается море сохранившихся планетезималей. Эти остатки проследовали по краям планетных орбит, сумев избежать как поглощения, так и изгнания из Солнечной системы. В модели Ниццы с исчезновением сопротивления газа притяжение, создаваемое гравитацией планет-гигантов, считается доминирующей силой, вызвавшей проникновение каменистых небесных тел внутрь их орбит.
Под воздействием мощной гравитации газовых гигантов близлежащие планетезимали быстро набирали скорость. Огромная планета не могла их захватить — они двигались слишком быстро и в результате оказывались выброшенными далеко за пределы данной области. Подобно стрелку, ощущающему отдачу при стрельбе из огнестрельного оружия, при выталкивании планетезимали планета получала толчок в обратном направлении. Каждый такой толчок отдачи не оказывал особого влияния на газового гиганта, но с учетом количества рассеиваемых планетезималей это могло в итоге привести даже к изменению орбиты планеты. Такой новый вид движения называют миграцией, обусловленной планетезималями.
Учитывая трудности, которые возникают при попытке объяснить формирование Урана и Нептуна на их нынешних орбитах, высказывается предположение, что в момент рассеивания протопланетного диска эти две планеты были намного ближе друг к другу. И если Юпитер мог оставаться на расстоянии 5 а.е., то Нептун должен был находиться не в 30, а 15 а.е. от Солнца. В промежутке между этими двумя планетами должны были располагаться Сатурн и Уран. В процессе рассеивания планетезималей тесный союз планет должен был распасться, то есть расстояния между ними должны были увеличиться.
В результате расхождения орбит Юпитер и Сатурн вошли во второй орбитальный резонанс. Однако на этот раз планеты не были сцеплены резонансом. Если при сближении планеты могут заставить друг друга поддерживать резонансные орбиты, то остановить друг друга при расхождении они не в состоянии. При прохождении резонанса Юпитер и Сатурн испытали гравитационный толчок, который изменил орбиты планет, сделав их более эллиптичными.
Двигаясь по измененным орбитам, две самые большие планеты переместились ближе к Урану и Нептуну, и две меньшие планеты оказались вытолкнуты вовне и вклинились в скопление планетезималей на краю системы. Результатом стало массовое рассеивание каменистых тел, которые разлетелись по всей Солнечной системе. Одни были вытеснены на окраину, образовав пояс Койпера; другие бомбардировали внутренние планеты; третьи совсем покинули область планет, найдя пристанище в облаке Оорта.
Модель Ниццы получила название в честь города, в котором была сформулирована эта идея. В модели Ниццы II аналогичный сценарий был предложен для области между остатками планетезималей на краю системы и газовыми гигантами. Согласно этой версии, планетезималям не нужно было проникать внутрь и рассеиваться. Гравитационного притяжения поля каменистых обломков было достаточно, чтобы нарушить резонансы между газовыми гигантами и спровоцировать хаос. При кажущейся умозрительности этих моделей, доказательства масштабного рассеивания небесных тел можно найти на поверхности Луны. Обследование лунных кратеров говорит о резком всплеске метеоритной активности 700 млн лет назад.
После рассеивания планетезималей планеты-гиганты наконец заняли постоянные орбиты. Уран и Нептун расположились там, где они находятся сейчас, — на большем удалении, в окружении моря планетезималей, вытолкнутых движением Нептуна и образовавших пояс Койпера.
Планета с плотностью полистирола
Миграция является теми рельсами, по которым планеты размером с Юпитер
