В ранней Солнечной системе, когда молодое Солнце только начинало рассеивать остатки протопланетного диска, рождение планет выглядело неупорядоченным процессом. Пылевые частицы сталкивались, слипались, распадались и снова объединялись.
Ранее считалось, что планетезимали — зародыши будущих планет и астероидов — формировались в разных местах, в разное время и из разного материала. Однако новое компьютерное моделирование, выполненное в Институте исследований Солнечной системы имени Макса Планка (MPS), указывает на существование особенно продуктивной зоны — настоящей «фабрики планет» прямо за орбитой Юпитера.
Речь идёт о промежутке примерно от двух до четырёх миллионов лет после рождения Солнечной системы. К этому моменту газовый гигант уже успел расчистить пространство вокруг своей орбиты, поглотив бóльшую часть вещества и оставив после себя пустоту в диске. На внешней границе этой области возникло кольцо повышенного газового давления. Оно работало как гигантская ловушка для пыли: мелкие частицы, дрейфующие к Солнцу, останавливались и накапливались в плотные скопления.
В таких регионах, называемых пылевыми ловушками, небольшие комки вещества могли быстро слипаться в планетезимали. Но ключевой вопрос заключался в другом: может ли одна и та же зона на протяжении длительного времени производить тела разного состава? Немецкие учёные смоделировали поведение двух типов вещества. Первый — хрупкая мелкозернистая пыль, легко разрушающаяся при столкновениях. Второй — более устойчивые сгустки, сформировавшиеся в горячих внутренних областях диска и позже сместившиеся наружу.
Моделирование, учитывавшее как столкновения отдельных частиц, так и глобальное движение газа, показало неожиданную картину. Крупные и прочные сгустки сильнее удерживались гравитационным влиянием Юпитера, чем мельчайшие пылинки. Со временем баланс между двумя типами вещества в зоне за орбитой газового гиганта начал меняться. В первые полмиллиона лет количество рыхлой пыли сокращалось, а затем, в течение следующего миллиона лет, снова возрастало. В результате сформировались два отчётливых поколения планетезималей: одно состояло преимущественно из хрупкого мелкозернистого материала, другое — из более прочных включений.
Эта картина хорошо согласуется с данными, полученными при изучении метеоритов, падающих на Землю. Углеродистые хондриты — древнейшие каменные метеориты, богатые углеродом, — делятся на шесть основных групп и заметно различаются по структуре и возрасту. Одни, как метеорит Ивуна, почти полностью состоят из мелкозернистого рассыпчатого вещества. Другие, как знаменитый метеорит Алленде, содержат множество крупных, чётко различимых включений, вкраплённых в тонкозернистую матрицу. Лабораторный анализ показывает, что эти группы образовались за пределами орбиты Юпитера именно в тот период, который охватывает компьютерное моделирование.
По словам исследователей, впервые удалось воспроизвести лабораторные данные по метеоритам с помощью численных экспериментов, описывающих раннюю Солнечную систему. Метеориты в этом смысле стали своеобразным эталоном, подтверждающим реальность моделируемых процессов. Пылевая ловушка за Юпитером работала как конвейер: на протяжении примерно двух миллионов лет она последовательно порождала планетезимали разного состава, а затем эти тела — уже в виде углеродистых хондритов — позже попадали на Землю.
Более того, учёные предполагают, что та же зона могла производить не только углеродистые хондриты, но и некоторые другие типы метеоритов. Если это подтвердится, «фабрика планет» за орбитой Юпитера окажется универсальным цехом ранней Солнечной системы. Без таких пылевых ловушек формирование планетезималей было бы гораздо менее эффективным, а разнообразие состава астероидов и метеоритов — значительно беднее.
Таким образом, моделирование Института Макса Планка не только объясняет происхождение разных групп углеродистых хондритов, но и предлагает новый взгляд на роль планет-гигантов в формировании каменистого материала в своих окрестностях. Юпитер, расчищая свою орбиту, не только остановил рост новой планеты в этом месте, но и создал условия для рождения множества небольших тел самого разного состава. Работа опубликована в The Astrophysical Journal.