В планетарной астрономии гипотеза большого галса предполагает, что Юпитер сформировался на расстоянии 3,5 а.е. от Солнца , затем мигрировал внутрь на 1,5 а.е., прежде чем изменить курс из-за захвата Сатурна в орбитальном резонансе , в конечном итоге остановившись около своей текущей орбиты на расстоянии 5,2 а.е. Обратный ход планетарной миграции Юпитера можно сравнить с путем парусника, меняющего направление ( лавирование ), когда он движется против ветра. [1]
Диск планетезималей усечен на 1,0 а.е. миграцией Юпитера, что ограничивает материал, доступный для формирования Марса . [2] Юпитер дважды пересекает пояс астероидов , рассеивая астероиды наружу, а затем внутрь. Образовавшийся пояс астероидов имеет небольшую массу, широкий диапазон наклонов и эксцентриситетов, а также популяцию, происходящую как изнутри, так и извне первоначальной орбиты Юпитера. [3] Обломки, образовавшиеся в результате столкновений планетезималей, проносящихся перед Юпитером, могли столкнуть раннее поколение планет в Солнце . [4]
В гипотезе гранд-такса Юпитер претерпел двухфазную миграцию после своего формирования, мигрируя внутрь на 1,5 а.е. перед тем, как изменить курс и мигрировать наружу. Формирование Юпитера произошло вблизи линии льдов , примерно в 3,5 а.е.
После расчистки зазора в газовом диске Юпитер подвергся миграции типа II , медленно двигаясь к Солнцу вместе с газовым диском. Если бы эта миграция не прерывалась, она оставила бы Юпитер на близкой орбите вокруг Солнца, подобно горячим Юпитерам в других планетных системах. [5] Сатурн также мигрировал к Солнцу, но, будучи меньше, он мигрировал быстрее, подвергаясь либо миграции типа I , либо неуправляемой миграции. [6] Сатурн сошелся с Юпитером и был захвачен в резонансе среднего движения 2:3 с Юпитером во время этой миграции. Затем вокруг Юпитера и Сатурна образовался перекрывающийся зазор в газовом диске, [7] изменив баланс сил на этих планетах, которые начали мигрировать вместе. Сатурн частично очистил свою часть зазора, уменьшив крутящий момент, оказываемый на Юпитер внешним диском.
Затем чистый крутящий момент на планетах стал положительным, причем крутящие моменты, создаваемые внутренними резонансами Линдблада, превысили крутящие моменты, создаваемые внешним диском, и планеты начали мигрировать наружу. [8] Миграция наружу смогла продолжиться, поскольку взаимодействия между планетами позволили газу течь через зазор. [9] Газ обменивался угловым моментом с планетами во время своего прохождения, добавляя положительный баланс крутящих моментов, позволяя планетам мигрировать наружу относительно диска; обмен также передавал массу от внешнего диска к внутреннему диску. [10] Передача газа во внутренний диск также замедлила уменьшение массы внутреннего диска относительно внешнего диска по мере его аккреции на Солнце, что в противном случае ослабило бы внутренний крутящий момент, положив конец внешней миграции гигантских планет. [8] [11] В гипотезе «великого галса» предполагается, что этот процесс обратил вспять внутреннюю миграцию планет, когда Юпитер находился на расстоянии 1,5 а.е. [6] Внешняя миграция Юпитера и Сатурна продолжалась до тех пор, пока они не достигли конфигурации с нулевым крутящим моментом внутри расширяющегося диска, [12] [11] или пока газовый диск не рассеялся. [11] Предполагается, что весь процесс закончился, когда Юпитер достиг своей приблизительной текущей орбиты. [6]
Гипотеза может быть применена к многочисленным явлениям в Солнечной системе.
« Проблема Марса» — это конфликт между некоторыми симуляциями формирования планет земной группы , которые заканчиваются планетой с массой 0,5–1,0 M E в своем регионе, что намного больше фактической массы Марса: 0,107 M E , если начинать с планетезималей, распределенных по всей внутренней Солнечной системе. Грандиозный курс Юпитера решает проблему Марса, ограничивая материал, доступный для формирования Марса. [13]
Внутренняя миграция Юпитера изменяет это распределение материала, [14] перемещая планетезимали внутрь, чтобы сформировать узкую плотную полосу со смесью материалов внутри 1,0 а.е. [15] и оставляет область Марса в значительной степени пустой. [16] Планетарные эмбрионы быстро формируются в узкой полосе. Большинство из этих эмбрионов сталкиваются и сливаются , образуя более крупные планеты земной группы ( Венера и Земля ) в течение периода от 60 до 130 миллионов лет. [17] Другие рассеиваются за пределами полосы, где они лишены дополнительного материала, что замедляет их рост, и образуют планеты земной группы с меньшей массой Марс и Меркурий . [18]
Юпитер и Сатурн смещают большинство астероидов с их первоначальных орбит во время их миграций, оставляя после себя возбужденный остаток, полученный как изнутри, так и извне первоначального местоположения Юпитера. До миграций Юпитера окружающие регионы содержали астероиды, состав которых менялся в зависимости от их расстояния от Солнца. [19] Каменистые астероиды доминировали во внутреннем регионе, в то время как более примитивные и ледяные астероиды доминировали во внешнем регионе за линией льда. [20] По мере того, как Юпитер и Сатурн мигрируют внутрь, ~15% внутренних астероидов рассеиваются наружу на орбиты за пределами Сатурна. [2] После изменения курса Юпитер и Сатурн впервые сталкиваются с этими объектами, рассеивая около 0,5% первоначальной популяции обратно внутрь на стабильные орбиты. [6] Позже, по мере того, как Юпитер и Сатурн мигрируют во внешний регион, около 0,5% примитивных астероидов рассеиваются на орбиты во внешнем поясе астероидов. [6] Встречи с Юпитером и Сатурном оставляют многие из захваченных астероидов с большими эксцентриситетами и наклонениями . [16] Они могут быть уменьшены во время нестабильности гигантской планеты, описанной в модели Ниццы, так что распределение эксцентриситета напоминает распределение текущего пояса астероидов. [21] Некоторые из ледяных астероидов также остаются на орбитах, пересекающих область, где позже сформировались планеты земной группы, что позволяет воде поступать на аккрецирующие планеты, когда ледяные астероиды сталкиваются с ними. [22] [23]
Отсутствие близко вращающихся суперземель в Солнечной системе также может быть результатом внутренней миграции Юпитера. [24] По мере того, как Юпитер мигрирует внутрь, планетезимали захватываются в его резонансы среднего движения, в результате чего их орбиты сокращаются, а их эксцентриситеты увеличиваются. Затем следует каскад столкновений , поскольку относительные скорости планетезималей становятся достаточно большими, чтобы производить катастрофические удары. Затем образовавшиеся обломки по спирали движутся к Солнцу из-за сопротивления газового диска. Если бы в ранней Солнечной системе были суперземли, они бы поймали большую часть этого мусора в резонансах и могли бы быть вдавлены в Солнце, когда обломки по спирали двигались бы внутрь. Нынешние планеты земной группы затем образовались бы из планетезималей, оставшихся после того, как Юпитер изменил курс. [25] Однако миграции близко вращающихся суперземель в Солнце можно было бы избежать, если бы обломки объединились в более крупные объекты, уменьшив сопротивление газа; и если бы протопланетный диск имел внутреннюю полость, их внутренняя миграция могла бы быть остановлена вблизи ее края. [26] Если бы во внутренней Солнечной системе еще не образовались планеты, разрушение более крупных тел во время каскада столкновений могло бы оставить оставшиеся обломки достаточно маленькими, чтобы их вытолкнул наружу солнечный ветер, который был бы намного сильнее в ранней Солнечной системе, оставив мало для формирования планет внутри орбиты Меркурия. [27]
Моделирование формирования планет земной группы с использованием моделей протопланетного диска, включающих вязкий нагрев и миграцию планетарных эмбрионов, показывает, что миграция Юпитера могла изменить направление на противоположное на расстоянии 2,0 а. е. В моделировании эксцентриситеты эмбрионов возбуждаются возмущениями от Юпитера. Поскольку эти эксцентриситеты гасятся более плотным газовым диском последних моделей, большие полуоси эмбрионов сжимаются, смещая пиковую плотность твердых тел внутрь. Для моделирования с изменением направления миграции Юпитера на противоположное на расстоянии 1,5 а. е. это привело к тому, что самая большая планета земной группы образовалась вблизи орбиты Венеры, а не на орбите Земли. Моделирование, которое вместо этого изменило направление миграции Юпитера на противоположное на расстоянии 2,0 а. е., дало более близкое соответствие текущей Солнечной системе. [9]
Когда фрагментация из-за столкновений типа «удар и бег» включена в моделирование с ранней нестабильностью, орбиты планет земной группы получаются лучше. Большее количество малых тел, образующихся в результате этих столкновений, уменьшает эксцентриситеты и наклоны орбит растущих планет посредством дополнительных столкновений и динамического трения. Это также приводит к тому, что большая часть массы планет земной группы концентрируется на Венере и Земле и увеличивает время их формирования по сравнению с Марсом. [28]
Миграция гигантских планет через пояс астероидов создает всплеск скоростей ударов, что может привести к образованию хондритов CB. Хондриты CB — это богатые металлами углеродистые хондриты, содержащие железо/никелевые конкреции, которые образовались в результате кристаллизации ударных расплавов через 4,8 ± 0,3 млн лет после первых твердых тел. Испарение этих металлов требует ударов со скоростью более 18 км/с, что значительно превышает максимум в 12,2 км/с в стандартных моделях аккреции. Миграция Юпитера через пояс астероидов увеличивает эксцентриситеты и наклоны астероидов, что приводит к периоду ударных скоростей в 0,5 млн лет, достаточному для испарения металлов. Если бы образование хондритов CB было вызвано миграцией Юпитера, это произошло бы через 4,5–5 млн лет после образования Солнечной системы. [29]
Наличие плотной атмосферы вокруг Титана и ее отсутствие вокруг Ганимеда и Каллисто может быть связано со временем их формирования относительно большого галса. Если Ганимед и Каллисто образовались до большого галса, их атмосферы были бы потеряны, когда Юпитер приблизился к Солнцу. Однако для того, чтобы Титан избежал миграции типа I в Сатурн, и для того, чтобы атмосфера Титана выжила, она должна была сформироваться после большого галса. [30] [31]
Встречи с другими эмбрионами могут дестабилизировать диск, вращающийся вокруг Марса, что приведет к уменьшению массы лун, которые формируются вокруг Марса. После того, как Марс рассеивается из кольца из-за столкновений с другими планетами, он продолжает встречаться с другими объектами, пока планеты не очистят материал из внутренней части Солнечной системы. Хотя эти встречи позволяют орбите Марса отделиться от других планет и оставаться на стабильной орбите, они также могут возмущать диск материала, из которого формируются луны Марса. Эти возмущения заставляют материал покидать орбиту Марса или воздействовать на его поверхность, что приводит к уменьшению массы диска и образованию меньших лун. [32]
Большая часть аккреции Марса должна была происходить за пределами узкого кольца материала, образованного гранд-таком, если Марс имеет другой состав, чем Земля и Венера. Планеты, которые растут в кольце, образованном гранд-таком, заканчиваются с похожими составами. Если гранд-так произошел рано, в то время как эмбрион, который стал Марсом, был относительно небольшим, Марс с другим составом мог бы образоваться, если бы он был рассеян наружу, а не внутрь, как астероиды. Вероятность этого составляет примерно 2%. [33] [34]
Более поздние исследования показали, что сходящаяся орбитальная миграция Юпитера и Сатурна в угасающей солнечной туманности вряд ли установит резонанс среднего движения 3:2. Вместо того, чтобы поддерживать более быструю неконтролируемую миграцию, условия туманности приводят к более медленной миграции Сатурна и его захвату в резонанс среднего движения 2:1. [11] [35] [36] Захват Юпитера и Сатурна в резонанс среднего движения 2:1 обычно не меняет направление миграции, но были выявлены особые конфигурации туманности, которые могут управлять внешней миграцией. [37] Однако эти конфигурации имеют тенденцию возбуждать эксцентриситет орбит Юпитера и Сатурна до значений, в два-три раза превышающих их фактические значения. [37] [38] Кроме того, если температура и вязкость газа позволяют Сатурну создавать более глубокий зазор, результирующий чистый крутящий момент может снова стать отрицательным, что приведет к внутренней миграции системы. [11]
Сценарий «великого тэка» игнорирует продолжающуюся аккрецию газа как на Юпитере, так и на Сатурне. [39] Фактически, чтобы управлять внешней миграцией и перемещать планеты в близость к их текущим орбитам, солнечная туманность должна была содержать достаточно большой резервуар газа вокруг орбит двух планет. Однако этот газ стал бы источником аккреции, что повлияло бы на рост Юпитера и Сатурна и их соотношение масс. [11] Тип плотности туманности, необходимый для захвата в резонансе среднего движения 3:2, особенно опасен для выживания двух планет, поскольку он может привести к значительному росту массы и последующему рассеянию планета-планета. Но условия, приводящие к резонансным системам среднего движения 2:1, также могут подвергнуть планеты опасности. [40] Аккреция газа на обеих планетах также имеет тенденцию уменьшать подачу в направлении внутреннего диска, снижая скорость аккреции в направлении Солнца. Этот процесс направлен на некоторое истощение внутренней части диска орбиты Юпитера, ослабляя крутящие моменты на Юпитере, возникающие из-за внутренних резонансов Линдблада, и потенциально прекращая внешнюю миграцию планет. [11]
Было предложено несколько гипотез для объяснения малой массы Марса. Маленький Марс мог быть маловероятным событием, поскольку он происходит в небольшой, но ненулевой доле симуляций, которые начинаются с планетезималей, распределенных по всей внутренней Солнечной системе. [41] [42] [43] Маленький Марс мог быть результатом того, что его регион был в значительной степени пустым из-за дрейфа твердого материала дальше внутрь до того, как образовались планетезимали. [44] [45] Большая часть массы также могла быть удалена из региона Марса до того, как он образовался, если нестабильность гигантской планеты, описанная в модели Ниццы, произошла рано. [46] [47] Если большая часть роста планетезималей и эмбрионов в планеты земной группы была вызвана аккрецией гальки , маленький Марс мог быть результатом того, что этот процесс был менее эффективным с увеличением расстояния от Солнца. [48] [49] Конвергентная миграция планетарных эмбрионов в газовом диске к 1 а.е. привела бы к образованию планет земной группы только вблизи этого расстояния, оставив Марс в виде застрявшего эмбриона. [50] Широкие вековые резонансы во время очищения газового диска также могли бы возбуждать наклоны и эксцентриситеты, увеличивая относительные скорости, так что столкновения приводили бы к фрагментации вместо аккреции. [51] Ряд этих гипотез также могли бы объяснить малую массу пояса астероидов.
Также было предложено несколько гипотез для объяснения орбитальных эксцентриситетов и наклонов астероидов и малой массы пояса астероидов. Если область пояса астероидов изначально была пуста из-за небольшого количества планетезималей, образовавшихся там, она могла быть заселена ледяными планетезималями, которые были рассеяны внутрь во время газовой аккреции Юпитера и Сатурна, [52] и каменными астероидами, которые были рассеяны наружу формирующимися планетами земной группы. [53] [54] Рассеянные внутрь ледяные планетезимали также могли доставлять воду в земной регион. [55] Первоначально маломассивный пояс астероидов мог иметь свои орбитальные эксцентриситеты и наклоны, возбужденные вековыми резонансами, если резонансные орбиты Юпитера и Сатурна стали хаотическими до нестабильности модели Ниццы. [56] [57] Эксцентриситеты и наклоны астероида также могли быть возбуждены во время нестабильности гигантской планеты, достигая наблюдаемых уровней, если бы она длилась несколько сотен тысяч лет. [58] Гравитационные взаимодействия между астероидами и эмбрионами в изначально массивном поясе астероидов усилили бы эти эффекты, изменив большие полуоси астероидов, загнав многие астероиды на нестабильные орбиты, с которых они были бы удалены из-за взаимодействия с планетами, что привело бы к потере более 99% его массы. [59] Вековой резонанс, проходящий во время рассеивания газового диска, мог бы возбудить орбиты астероидов и удалить многие из них, когда они спиралевидно двигались к Солнцу из-за сопротивления газа после того, как их эксцентриситеты были бы возбуждены. [60]
Также было предложено несколько гипотез об отсутствии каких-либо близких орбитальных суперземель и малой массе Меркурия . Если ядро Юпитера сформировалось близко к Солнцу, его внешняя миграция через внутреннюю Солнечную систему могла бы вытолкнуть материал наружу в его резонансах, оставив область внутри орбиты Венеры обедненной. [61] [26] В протопланетном диске, который развивался посредством дискового ветра, планетарные эмбрионы могли мигрировать наружу, прежде чем слиться, чтобы сформировать планеты, оставив Солнечную систему без планет внутри орбиты Меркурия. [62] [63] Конвергентная миграция планетарных эмбрионов в газовом диске к 1 а. е. также привела бы к образованию крупных планет земной группы вблизи этого расстояния, оставив Меркурий в виде застрявшего эмбриона. [50] Раннее поколение внутренних планет могло быть потеряно из-за катастрофических столкновений во время нестабильности, в результате чего обломки были измельчены достаточно мелко, чтобы быть потерянными из-за торможения Пойнтинга-Робертсона. [64] [65] Если бы формирование планетезималей произошло только на ранней стадии, внутренний край планетезимального диска мог бы быть расположен на линии конденсации силиката в это время. [66] Формирование планетезималей ближе, чем орбита Меркурия, могло потребовать, чтобы магнитное поле звезды было выровнено с вращением диска, что позволило бы истощить газ так, чтобы соотношение твердого вещества к газу достигло значений, достаточных для возникновения потоковой нестабильности . [67] [68] Формирование суперземель может потребовать более сильного потока дрейфующей внутрь гальки, чем это было в ранней Солнечной системе. [69] Планетезимали, вращающиеся в протопланетном диске ближе, чем 0,6 а.е., могли быть разрушены из-за встречного ветра. [70] Ранняя Солнечная система, которая была в значительной степени истощена материалом, могла привести к образованию малых планет, которые были потеряны или разрушены в результате ранней нестабильности, оставив только Меркурий или образовав только Меркурий. [71] [72]