Пояс астероидов: почему там не сформировалась ещё ни одна планета

Рождение Солнечной системы из пылевой туманности

Около 4,57 миллиарда лет назад Солнечная система возникла из вращающегося облака газа и пыли — протопланетного диска. Под действием гравитации частицы слипались в более крупные тела: сначала в планетезимали размером от метров до километров, затем через аккрецию (постепенное накопление вещества при столкновениях) — в планетные зародыши. Именно так сформировались Меркурий, Венера, Земля и Марс.

В зоне между нынешними орбитами Марса и Юпитера — примерно от 2,1 до 3,2 астрономических единиц от Солнца — планетарная эволюция шла по другому сценарию. Согласно ряду моделей, объясняющих разницу масс Земли и Марса, в протопланетном диске на этом участке должен был существовать резкий перепад плотности вещества. Это означает, что зона будущего пояса астероидов, вероятно, была обеднена материалом с самого начала — формирование планеты здесь могло быть затруднено ещё до вмешательства внешних сил.

Почему вещество не слиплось в планету

Даже того вещества, что присутствовало в этой зоне по классическим оценкам, теоретически могло бы хватить для формирования небольшой планеты. Однако аккреция так и не завершилась. По ранним представлениям, пояс сформировался в несколько земных масс в планетезималях, но динамические процессы выбросили почти всё это вещество за пределы зоны или разрушили его. Более новые данные свидетельствуют, что пояс, возможно, никогда не содержал массы, сопоставимой с земной.

Среди ключевых механизмов потери массы, которые обсуждаются в научной литературе, — миграция гигантских планет, орбитальные возмущения и взаимодействия секулярных резонансов. Резонанс в данном контексте — это ситуация, когда период обращения тела вокруг Солнца кратен периоду обращения Юпитера. В таких точках гравитационное воздействие накапливается и раскачивает орбиту, делая её нестабильной. Совокупность этих факторов, по мнению большинства исследователей, остановила формирование полноценного небесного тела в этой части Солнечной системы.

Гравитационные возмущения и резонансы

Гравитация Юпитера разгоняла тела в поясе до скоростей, при которых столкновения разрушали их. Вместо того чтобы наращивать массу, планетезимали буквально разбивались друг о друга. Значительная часть вещества пояса была рассеяна именно под влиянием Юпитера.

Гравитационные резонансы Юпитера создали в поясе так называемые щели Кирквуда — зоны, где тела не удерживаются на стабильных орбитах и быстро выбрасываются на другие траектории. Эти «запрещённые зоны» хорошо видны при анализе распределения астероидов: в них почти нет объектов. Гравитационные возмущения накапливались миллионами лет, постепенно очищая пояс от большей части исходного материала.

Модель Grand Tack: Юпитер-путешественник

Одна из наиболее детально проработанных моделей формирования Солнечной системы — Grand Tack — описывает, как Юпитер и Сатурн в ранний период могли мигрировать внутрь системы, приближаясь к орбите Марса, а затем развернуться обратно. Такое движение способно было буквально вымести вещество из зоны пояса, оставив лишь малую его часть. Модель объясняет сразу несколько наблюдаемых фактов: низкую массу пояса, смешанный состав астероидов и их возбуждённые орбиты.

Существуют и альтернативные сценарии — например, модели с хаотическими возмущениями орбит Юпитера и Сатурна, в которых истощение пояса могло занять от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов лет в зависимости от конкретной модели. Такие модели также способны воспроизводить орбитальную структуру пояса и соотношение разных типов астероидов. Ни один профиль протопланетного диска не способен одновременно объяснить строение земных планет и структуру пояса без учёта воздействия газовых гигантов. Юпитер и Сатурн считаются ключевыми «архитекторами» того, что наблюдается сегодня, хотя детали процесса всё ещё уточняются.

Карликовая планета Церера — зародыш, которому не дали вырасти

Карликовая планета Церера — самый крупный объект главного пояса. По данным NASA, на её долю приходится около 35% суммарной массы всего пояса астероидов. Остальные крупные тела — Веста и Паллада — значительно уступают ей по размеру.

Учёные называют Цереру «зародышем планеты»: она начала формироваться около 4,57 миллиарда лет назад, но не завершила этот процесс из-за гравитационного воздействия Юпитера. Церера примечательна ещё одним фактом: по оценкам NASA, около 25% её массы составляет лёд, что делает её одним из самых водонасыщенных тел в ближнем космосе после Земли. Если бы удалось собрать всё вещество пояса воедино, то получившееся тело оказалось бы значительно меньше Луны.

Пояс астероидов — не обломки взорвавшейся планеты

Один из самых устойчивых мифов — версия о том, что пояс астероидов представляет собой обломки некогда существовавшей планеты Фаэтон. Эта идея красиво звучит, но научных подтверждений у неё нет. Вещества в поясе слишком мало, чтобы из него когда-либо могла сложиться полноценная планета: суммарная масса пояса составляет порядка 1/2000 массы Земли. Пояс — это, по сути, незавершённая стройка, которую остановили внешние силы ещё на раннем этапе.

Пролететь через пояс проще, чем кажется

Кино создало образ пояса астероидов как смертоносного лабиринта. На практике всё иначе. Космические аппараты — Pioneer 10, Voyager 1, Voyager 2, New Horizons — благополучно пересекли пояс, не получив повреждений. Расстояния между отдельными телами в межпланетном пространстве настолько велики, что вероятность столкновения при пролёте крайне мала.

Сколько астероидов в поясе и чем они отличаются

В поясе насчитывается более миллиона астероидов диаметром свыше одного километра и миллиарды более мелких тел. То, из чего состоят астероиды, зависит от их происхождения: каменистые тела S-типа богаты силикатами и преобладают во внутренней части пояса; углистые C-типа содержат органику и воду и доминируют во внешней части; а D- и P-типы, близкие по составу к кометам и имеющие тёмную поверхность, встречаются преимущественно в дальней части пояса, за 3 а.е. от Солнца. Такое разнообразие — вероятное следствие того, что пояс был перемешан в ходе миграции гигантских планет и теперь хранит вещество из разных частей ранней Солнечной системы.

Юпитер: разрушитель или защитник

Юпитер лишил зону пояса шанса на планету, однако его роль в Солнечной системе этим не ограничивается. Гравитация этого гиганта нередко выбрасывает астероиды и кометы на другие орбиты или вовсе за пределы системы, из-за чего Юпитер иногда называют «щитом Земли». Эта характеристика, впрочем, спорна: часть исследований показывает, что в некоторых случаях гравитация Юпитера способна, наоборот, направлять тела в сторону внутренних планет.

Гравитационные резонансы Юпитера поддерживают динамическое равновесие пояса, не позволяя астероидам массово сталкиваться и сливаться. Без его присутствия эволюция внутренней части Солнечной системы могла бы пойти иначе — возможно, с дополнительным телом между Марсом и нынешним поясом. Но это остаётся гипотезой.

Пояс астероидов — результат того, как формировалась Солнечная система: мощная гравитация Юпитера и динамические процессы ранней эпохи не дали веществу собраться в планету. Пояс хранит информацию о том, каким было межпланетное пространство миллиарды лет назад, — и учёные продолжают уточнять детали этой картины по составу и орбитам его обитателей.