Странный наклон Урана вызван его давно потерянным спутником

У Урана самый большой наклон в Солнечной системе – 98 градусов, что означает, что он вращается почти перпендикулярно направлению своей орбиты. Астрономы давно подозревали, что серия гигантских столкновений в начале формирования планеты перевернула Уран на бок, но новое исследование предполагает гораздо менее серьёзную причину: спутник Урана, который когда-то ушёл прочь.

Все планеты Солнечной системы имеют наклоны орбит менее 30 градусов, кроме Урана. Вся система Урана перевёрнута на бок, что влияет не только на вращение планеты, но и на её кольца и спутники, которые вращаются вокруг планеты перпендикулярно движению планеты вокруг Солнца.

Странный наклон Урана особенно странен, учитывая, что соседний ледяной гигант Нептун имеет нормальный наклон, несмотря на то, что у них, вероятно, схожая история формирования. Так что же пошло не так с Ураном?

Астрономы давно подозревали, что во время формирования Урана произошло по крайней мере одно гигантское столкновение. Это достаточно легко представить: правильное столкновение в нужное время дало бы достаточно энергии, чтобы оттолкнуть Уран, пока он всё ещё находился на своей протопланетной стадии формирования.

И у учёных есть некоторые доказательства, подтверждающие эту картину. В молодости Солнечная система была довольно жестоким местом, поэтому вокруг полно больших камней, способных сеять хаос. И Нептун действительно демонстрирует небольшие различия, такие как разная температура и набор спутников с разными характеристиками, что указывает на то, что две планеты находились в разных условиях в какой-то момент своего формирования.

Самая несчастливая планета

Но у гипотезы удара есть и слабые стороны.

Множество камней кружило вокруг ранней Солнечной системы в поисках удачной цели. Все планеты, особенно внешние, вероятно, претерпели множество столкновений во время своего формирования. Астероиды не пощадили даже внутренние планеты. На раннем этапе Земля столкнулась с протопланетой размером с Марс, что привело к формированию Луны.

Итак, если Уран получил достаточно сильный удар, чтобы опрокинуться, почему другие планеты не пострадали? Юпитер и Сатурн в конечном итоге образовали густые газовые облака, которые со временем могли вернуть их в вертикальное положение. Но у Нептуна была схожая история с Ураном, и, несмотря на небольшие различия, два ледяных гиганта очень похожи: у них похожие атмосферы, оба имеют запутанные магнитные поля и имеют схожие размеры, массы и скорости вращения.

У нас осталась дилемма. Возможно, бедняге Урану просто очень не повезло – и существуют модели, подтверждающие идею правильного удара, который наклоняет планету. Но “чистая удача” на самом деле не удовлетворяет типичного астронома; мы должны исчерпать все другие варианты, прежде чем прибегать к ней.

Так что, возможно, ответ не имеет ничего общего с воздействиями. Возможно, это связано со спутниками, как предполагает группа учёных в своей новой статье, принятой к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics.

Потерянные дети

Ранняя Солнечная система не очень походила на Солнечную систему наших дней. В частности, планеты-гиганты, вероятно, образовались гораздо ближе друг к другу и гораздо ближе к Солнцу. Со временем взаимодействия между ними выбросили их наружу, причём Уран и Нептун мигрировали дальше всех.

Каждая из планет-гигантов имела определённый набор спутников, но эти спутники перетасовывались по мере миграции планет. Со всей сложной гравитационной динамикой некоторые планеты потеряли спутники, а другие приобрели новые.

Таким образом, Уран мог родиться с массивным спутником или быстро захватить его. И если бы спутник был достаточно большой, то он мог бы влиять на вращение планеты.

Уран, вероятно, начал со случайного, но небольшого наклона. Со временем этот наклон прецессировал, как это называют астрономы, и направление вращения планеты изменялось, подобно гигантскому волчку. Обычно прецессия наклона планеты не влияет на её спутник. Но спутник мог попасть в резонансный паттерн, в котором время, необходимое для прецессии, совпадало бы с целым числом оборотов спутника.

Этот резонанс позволил гравитационной силе спутника мягко притягивать планету, усиливая прецессию. Это похоже на невидимую нить, прикреплённую к вершине планеты: в течение миллионов лет этот наклон становился всё больше и больше. По мере того как это продолжалось, спутник неуклонно приближался бы к планете.

Исследователи обнаружили, что если бы у Урана когда-то был достаточно большой спутник, то через несколько сотен миллионов лет он был бы способен наклонить планету более чем на 80 градусов. Чтобы закончить работу, спутник затем врезался бы в Уран, зафиксировав наклон планеты на его нынешнем значении.

Этот сценарий объяснил бы, почему Уран так уникален: у него просто был достаточно большой спутник.