Новые модели формирования планет показали, что Земля могла возникнуть естественным образом

Почему именно Земля оказалась на расстоянии, подходящем для существования жидкой воды, почему рядом с ней сформировалась сравнительно небольшая планета Марс, а Венера заняла соседнюю орбиту? До сих пор моделирование формирования планет часто начиналось с предположений, которые были призваны воспроизвести уже известную архитектуру Солнечной системы. Теперь исследователи использовали другой подход: начальные условия во многих расчётах задавались случайным образом, а дальнейшее развитие системы определяли физические процессы.

Более 1000 компьютерных симуляций позднего этапа формирования планет земной группы показали, что планета земного типа на расстоянии около одной астрономической единицы от Солнца может быть естественным результатом эволюции системы с неоднородным распределением твёрдого вещества. В отдельных моделях также возникали аналоги Венеры и небольшие тела в районе нынешней орбиты Марса.

Это не означает, что учёные доказали неизбежность появления Земли или установили, что во Вселенной повсюду должны существовать её точные копии. Результат значительно конкретнее: компьютерные расчёты показывают, что формирование планеты с характеристиками, близкими к земным, не обязательно требует исключительно редкого и заранее подогнанного набора начальных условий.

Почему происхождение Земли трудно воспроизвести на компьютере

Формирование планет — один из сложнейших процессов планетологии. Современная картина предполагает, что планеты возникают из вещества протопланетного диска, окружающего молодую звезду. В таком диске находятся газ, пыль и более крупные твёрдые тела. Постепенно частицы сталкиваются, объединяются, образуют планетезимали, а затем более крупные зародыши планет.

На поздних этапах формирования планет земной группы особенно важную роль начинают играть гравитационные взаимодействия. Уже сформировавшиеся планетезимали и планетные зародыши притягиваются друг к другу, сталкиваются, меняют орбиты и иногда объединяются. Небольшое изменение начального распределения вещества может привести к совершенно другой конфигурации планет через миллионы лет.

Именно поэтому невозможно просто взять сегодняшнюю Солнечную систему и однозначно прокрутить её историю назад. Нынешнее расположение планет является результатом огромного количества взаимодействий, а точное первоначальное распределение вещества в протопланетном диске неизвестно.

Мы не знаем исходную конфигурацию Солнечной системы

Сегодня достаточно хорошо известны массы планет, их орбиты и многие другие характеристики Солнечной системы. Однако из этих данных нельзя напрямую восстановить единственное исходное состояние протопланетного диска.

Исследователи не знают, где именно находились планетезимали и зародыши будущих планет, сколько вещества было в каждом участке диска и каким было точное распределение этих объектов по расстоянию от молодого Солнца.

Это создаёт принципиальную проблему для компьютерного моделирования. Если заранее задать начальные условия так, чтобы получить современную Солнечную систему, результат неизбежно будет зависеть от сделанных предположений. Такой подход позволяет проверять конкретные сценарии, но хуже отвечает на более фундаментальный вопрос: насколько естественно вообще возникновение системы, похожей на нашу.

Новое моделирование было построено именно для того, чтобы уменьшить зависимость от заранее заданного результата.

Модель начали не с готовой Солнечной системы

Исследователи под руководством планетолога Надера Хагигипура из Института астрономии Гавайского университета использовали множество случайных начальных условий. Вместо того чтобы заранее задавать расположение будущих планет, они позволили физическим процессам определить, какие тела появятся в результате эволюции.

В расчётах рассматривались разные распределения планетезималей и планетных зародышей. Затем моделировались их гравитационные взаимодействия и дальнейшая динамика.

Всего было выполнено более 1000 симуляций поздней стадии формирования планет земной группы. Такой подход позволил исследовать большое количество возможных вариантов развития системы, а не пытаться воспроизвести только одну заранее известную конфигурацию.

Почему случайные начальные условия имеют значение

Случайное начальное распределение не означает, что в модели отсутствуют физические ограничения. Напротив, после задания исходных условий дальнейшее развитие объектов рассчитывается на основе физических законов и их взаимного гравитационного воздействия.

Это важное отличие от модели, которая заранее «знает», где должна оказаться Земля. В новом подходе исследователи не требуют от расчёта получить именно современную систему. Если в результате возникает планета на определённой орбите, это становится следствием конкретного набора начальных условий и последующей динамической эволюции.

При этом разные исходные условия могут приводить к совершенно разным результатам. Исследователи отмечают, что даже небольшие изменения первоначальной конфигурации способны значительно изменить конечную архитектуру планетной системы.

Поэтому отдельная компьютерная симуляция сама по себе мало что говорит о вероятности определённого результата. Гораздо информативнее большое количество расчётов с разными исходными параметрами. Именно это и стало одним из основных элементов нового исследования.

Земля на расстоянии одной астрономической единицы оказалась естественным результатом

Одним из наиболее интересных результатов стало формирование планеты земного типа примерно на нынешнем расстоянии Земли от Солнца.

Одна астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, составляющее около 150 миллионов километров. В новой серии расчётов появление планеты в этой области оказалось естественным результатом эволюции системы при определённых неоднородных распределениях твёрдого материала.

Это важно именно в контексте вопроса о том, насколько необычным является положение Земли. Результаты не показывают, что планета обязательно должна сформироваться ровно на расстоянии одной астрономической единицы. Они демонстрируют другое: при отсутствии заранее заданной современной архитектуры такое расположение не оказалось исключительным результатом, который можно получить только при чрезвычайно точной настройке модели.

Что означает «естественный результат»

Подобную формулировку нельзя понимать как утверждение о неизбежности существования Земли.

В компьютерной модели существует множество возможных исходов. Некоторые системы будут иметь несколько планет, другие — отличаться их массами и орбитами. В некоторых случаях планета может оказаться ближе к звезде или дальше от неё.

Поэтому вывод исследования ограничен рамками использованного набора физических условий и начальных распределений. Землеподобная планета на расстоянии около одной астрономической единицы может возникать без необходимости заранее помещать её туда.

Это отличается от утверждения «Земля должна была появиться». Последнее из результатов моделирования не следует.

Неоднородный протопланетный диск оказался важным условием

Особое значение в новом подходе имеет распределение твёрдого материала в протопланетном диске.

Пространство вокруг молодой звезды не обязательно должно содержать одинаковое количество строительного материала на всех расстояниях. В реальном протопланетном диске распределение вещества может быть неоднородным. В моделях исследователи рассматривали различные варианты такого распределения.

Именно неоднородный диск, согласно представленным результатам, создаёт физически правдоподобную среду, в которой могут формироваться планеты земного типа.

При этом речь идёт не только о массе будущих планет. Важны расположение планетезималей, распределение зародышей и их последующее гравитационное взаимодействие. После начала формирования планет система продолжает динамически перестраиваться.

Планеты формируются не независимо друг от друга

На позднем этапе формирования планет земной группы будущие планеты нельзя рассматривать как полностью независимые объекты. Они взаимодействуют друг с другом и с оставшимися небольшими телами.

Гравитация может изменять орбиты объектов, приводить к столкновениям и слияниям, а также способствовать перераспределению вещества. Поэтому конечный результат зависит не только от того, сколько материала первоначально находилось в определённой области, но и от того, как этот материал взаимодействовал в процессе эволюции.

Именно поэтому небольшое изменение начальных условий способно привести к заметному различию конечных систем. Один сценарий может дать планету определённой массы на орбите около одной астрономической единицы, тогда как другой — сформировать несколько тел с иным распределением масс и расстояний.

Венера в моделях появлялась примерно в 28% случаев

Отдельный интерес представляют результаты для Венеры. В проведённых расчётах аналог Венеры появлялся примерно в 28% случаев и сохранял орбиту после формирования.

При этом в некоторых моделях такая планета оказывалась в обитаемой зоне своей звезды, а в других — немного за её пределами. Здесь важно не смешивать два разных понятия: нахождение в обитаемой зоне не означает автоматически наличие жизни или даже гарантированную пригодность планеты для жизни.

Обитаемая зона — это область вокруг звезды, где при определённых атмосферных условиях на поверхности планеты может существовать жидкая вода. Реальная обитаемость зависит также от атмосферы, внутреннего строения планеты, её геологической активности и других факторов.

Поэтому результат с Венерой говорит прежде всего о динамике формирования планет: планета земного типа в соответствующей области может возникать в заметной доле рассматриваемых сценариев.

Почему результат для Венеры отличается от результата для Земли

Появление Венеры в 28% расчётов нельзя напрямую сравнивать с утверждением о естественном формировании Земли как с одинаковыми статистическими показателями. В представленном материале не приводится простая универсальная вероятность «появления Земли во Вселенной».

Результаты зависят от того, какие именно начальные распределения и параметры рассматривались в моделях. Кроме того, наличие планеты на определённой орбите ещё не означает, что она будет обладать точно такой же массой, составом, атмосферой или геологической историей, как Венера.

Поэтому 28% следует воспринимать как результат конкретного набора симуляций, а не как вероятность того, что в каждой планетной системе обязательно существует Венера.

Марс в расчётах часто оставался небольшим

Ещё одна проблема моделей формирования Солнечной системы связана с Марсом. Красная планета значительно уступает Земле и Венере по массе, хотя находится сравнительно близко к ним.

В некоторых моделях планетной формации получить одновременно массивную Землю и значительно меньший Марс оказывается непросто. Если в области нынешней орбиты Марса изначально присутствует слишком много строительного материала, планета может вырасти существенно крупнее современной.

В новых симуляциях Марс неоднократно появлялся как небольшое тело вблизи нынешнего положения своей орбиты. Это означает, что при использованных неоднородных распределениях материала небольшая масса Марса не обязательно требует исключительно специального сценария.

Такой результат важен потому, что позволяет одновременно рассматривать несколько особенностей внутренней Солнечной системы: положение Земли, существование Венеры и небольшие размеры Марса.

Компьютерные модели стали намного быстрее

Есть и ещё один важный аспект исследования — вычислительный.

За последние десятилетия моделирование формирования планет значительно усложнилось. Современные расчёты способны исследовать большое количество различных начальных условий, однако подобные симуляции остаются вычислительно затратными.

По данным исследования, отдельные расчёты, которые раньше могли занимать от шести до восьми месяцев, теперь выполняются примерно за шесть-восемь недель на современных ноутбуках. Такое сокращение времени особенно важно именно для статистического подхода.

Если один сценарий требует месяцев вычислений, провести тысячи независимых расчётов практически невозможно. Если же расчёт занимает несколько недель, исследователь получает возможность изучать значительно больше вариантов.

Большое число симуляций меняет характер исследования

При одном расчёте можно получить интересную модель конкретной планетной системы. Но невозможно понять, насколько типичен такой результат.

Тысячи расчётов позволяют перейти от единичного сценария к изучению множества возможных исходов. Исследователь может посмотреть, какие характеристики возникают регулярно, какие появляются редко, а какие практически не встречаются при заданных физических условиях.

Именно такой статистический подход позволяет ставить вопрос о том, насколько необычной является Земля в рамках конкретной модели формирования планет.

Это существенно более содержательный вопрос, чем попытка воспроизвести современную Солнечную систему единственным расчётом.

Почему старые подходы имели ограничения

Традиционные модели формирования планет не являются неправильными. Они сыграли большую роль в понимании процессов аккреции, столкновений и динамической эволюции планетных систем.

Проблема заключается в другом: многие модели были построены вокруг конкретных предположений о том, каким должен быть исходный материал, чтобы в конце получилась система, напоминающая известную нам.

Такой подход полезен для проверки конкретных гипотез. Но если задача состоит в том, чтобы выяснить, какие конфигурации возникают сами по себе, слишком сильная привязка к конечному результату становится ограничением.

Новый метод пытается ослабить это ограничение. Вместо того чтобы начинать с ответа и искать подходящие исходные условия, исследователи рассматривают большое количество возможных исходных состояний и смотрят, какие планетные системы возникают в результате.

Даже небольшие изменения могут полностью изменить результат

Планетные системы относятся к динамическим системам, в которых взаимодействуют многочисленные тела. Поэтому начальные условия имеют огромное значение.

Если немного изменить положение или распределение одного из объектов, последующие столкновения и гравитационные взаимодействия могут происходить уже по другому сценарию. Через длительный промежуток времени конечная архитектура системы может существенно отличаться от первоначально полученной.

Это означает, что Солнечная система могла возникнуть в результате конкретной последовательности событий, но сама последовательность не обязательно была единственной возможной.

Моделирование показывает именно это многообразие. Одинаковые физические законы могут приводить к различным планетным системам в зависимости от исходного состояния протопланетного диска.

Что результаты говорят о распространённости Земли

Самый интересный вывод касается не столько конкретной орбиты Земли, сколько вопроса о том, насколько специальными должны быть условия для формирования землеподобной планеты.

Новые расчёты не доказывают, что планеты, полностью идентичные Земле, распространены во Вселенной. Для такого вывода недостаточно одной модели формирования планет и нескольких тысяч симуляций.

Однако они показывают, что формирование планеты земного типа в подходящей области вокруг звезды может быть естественным результатом динамики протопланетного диска с неоднородным распределением твёрдого вещества.

Это важное различие. Земля может быть уникальной по своей конкретной истории, составу, биосфере и сочетанию физических условий, но это не означает, что само появление планеты земного типа требует невозможного совпадения обстоятельств.

Земля и жизнь — не одно и то же

Особенно осторожно необходимо относиться к переходу от формирования Земли к происхождению жизни.

Исследование моделирует прежде всего формирование планет и их орбитальную архитектуру. Оно не моделирует появление жизни и не доказывает существование жизни на других планетах.

Даже если планета земного размера сформировалась на подходящем расстоянии от звезды, это ещё не означает, что на ней возникла жизнь. Для обитаемости имеют значение атмосфера, наличие и состояние воды, химический состав, внутреннее строение, геологическая активность и история самой планеты.

Поэтому результат работы следует рассматривать как один из этапов решения более широкой задачи: сначала необходимо понять, насколько естественно формируются планеты, потенциально способные иметь подходящие условия, а уже затем исследовать процессы, определяющие их реальную обитаемость.

Исследование помогает лучше понимать экзопланеты

Результаты компьютерного моделирования имеют значение и за пределами Солнечной системы.

За последние десятилетия астрономы обнаружили огромное количество экзопланет, то есть планет, обращающихся вокруг других звёзд. Среди них есть объекты земного размера и более массивные планеты, известные как суперземли.

Наблюдения показывают, что планетные системы отличаются друг от друга. Встречаются звёзды с горячими планетами, обращающимися очень близко к ним, системы с несколькими крупными планетами и другие конфигурации, сильно отличающиеся от Солнечной системы.

Компьютерные модели позволяют исследовать, как из различных начальных условий могут возникать такие разные архитектуры. Одновременно они помогают определить, какие особенности Солнечной системы являются обычными последствиями физических процессов, а какие могут быть действительно редкими.

Почему нельзя искать только точные копии Солнечной системы

Если планетные системы формируются из множества возможных начальных состояний, ожидать, что большинство из них будут выглядеть точно как Солнечная система, было бы неправильно.

Важнее определить более общие закономерности. Например, может оказаться, что планеты земного типа часто формируются в определённом диапазоне расстояний от звезды, тогда как точное количество планет и их взаимное расположение сильно варьируется.

Такой подход позволяет искать не «вторую Солнечную систему», а физические условия, при которых возникают планеты с определёнными характеристиками.

Почему работа не доказывает, что Земля была неизбежна

Фраза о том, что Земля «не случайность», легко может привести к неправильному пониманию результатов.

Научное моделирование не позволяет утверждать, что существование нашей планеты было предопределено. Земля действительно возникла в результате конкретной цепочки событий, а небольшие изменения в начальных условиях могли привести к другой планетной системе.

Результат исследования состоит в другом: при большом количестве случайных начальных условий физика формирования планет способна приводить к возникновению землеподобной планеты в районе одной астрономической единицы. Поэтому само существование планеты с такими параметрами не требует считать Землю исключительно невероятным исключением.

При этом точная вероятность формирования именно Земли — с её конкретной массой, составом, орбитой, спутником, атмосферой, геологической историей и биосферой — из этих расчётов не следует.

Следующий вопрос — насколько типична обитаемая планета

Полученные результаты переводят обсуждение обитаемости на следующий уровень. Если планеты земного типа действительно могут достаточно естественно формироваться в подходящих областях протопланетных дисков, то становится особенно важным понять, какие процессы после формирования определяют их дальнейшую судьбу.

Наличие подходящей орбиты — только одно из условий. Планета должна сохранить или приобрести подходящую атмосферу, иметь источники воды и необходимые химические элементы, а её поверхность и климат должны развиваться в условиях, допускающих длительное существование жидкой воды.

Поэтому происхождение Земли нельзя свести только к её расстоянию от Солнца. Но новое моделирование показывает, что само формирование планеты в этой области может быть менее исключительным событием, чем предполагалось в некоторых старых сценариях.

Новый взгляд на место Земли среди планетных систем

Современная планетология постепенно отказывается от представления о Солнечной системе как о единственном образце, по которому нужно строить все модели. Наблюдения экзопланет показали огромное разнообразие планетных архитектур, а компьютерные расчёты позволяют исследовать, как это разнообразие может возникать из разных исходных условий.

Новые симуляции формирования планет земной группы показывают, что при неоднородном распределении твёрдого вещества планета земного типа на расстоянии около одной астрономической единицы может возникнуть без предварительного задания её положения. В отдельных расчётах появлялись также аналоги Венеры, причём примерно в 28% рассмотренных случаев, и небольшие тела в районе нынешней орбиты Марса.

Это не делает Землю обычной планетой во всех отношениях и не доказывает существование жизни за пределами Солнечной системы. Но результат меняет саму постановку вопроса. Возможно, для формирования мира, похожего на Землю по основным параметрам, не требуется уникальная цепочка начальных условий. При определённых свойствах протопланетного диска такая планета может быть одним из естественных результатов его эволюции.

Более 1000 симуляций, выполненных без привязки к современной архитектуре Солнечной системы, дают возможность изучать этот вопрос статистически. И чем больше различных исходных условий удаётся проверить, тем лучше становится понимание того, какие особенности нашей планетной системы являются закономерным следствием физики, а какие действительно требуют редкого сочетания обстоятельств.

 

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com