Столь древнюю динамическую историю нашей планетной системы мы можем изучать лишь путем математического моделирования. С его помощью ученые заключили, что в области между Марсом и Юпитером могли сформироваться десятки «планетных эмбрионов» диаметром от 500 до 1000 километров, а общая масса вещества, включающего и более мелкие тела, составляла около 4–5 масс Земли. Но в итоге большая часть вещества была рассеяна сразившимися в «великой гравитационной схватке» Юпитером и Сатурном, которые вошли в орбитальный резонанс. Царивший тогда хаос, в котором тела постоянно меняли свои орбиты и сталкивались друг с другом, привел к тому, что пояс малых тел между орбитами Марса и Юпитера потерял до 99 % своей общей массы, а крупные «эмбрионы» планет были попросту разрушены в страшных космических столкновениях. Сейчас этот пояс «выживших» реликтовых тел, не столкнувшихся с Солнцем, не ставших частью одной из планет Солнечной системы и не выброшенных на ее периферию или в межзвездное пространство, мы знаем как Главный пояс астероидов.
Пройдя через горнило становления и эволюции Солнечной системы, он стал совсем другим, чем был тогда, когда все еще оставался шанс на формирование еще одной планеты между орбитами Марса и Юпитера. Что же с динамической точки зрения он представляет собой в нашу эпоху? После окончания миграции планет-гигантов, когда все они нашли свое равновесное положение, структура этого пояса почти не менялась, хотя он постепенно терял и все еще продолжает медленно терять свою массу. Как же это происходит? Если взглянуть на распределение известных нам астероидов Главного пояса по среднему расстоянию от Солнца (большой полуоси их орбит), то мы увидим, что, хотя у него и нет четко очерченных границ, но подавляющее большинство каталогизированных объектов располагается в промежутке от 2,1 до 3,3 а. е. от Солнца, и они явно разделены какими-то невидимыми человеческому глазу барьерами. Эти барьеры выстроены гравитацией, и каждый из них соответствует определенному орбитальному резонансу с царем всех планет – Юпитером.
Резонансы являются определяющей силой динамической эволюции Солнечной системы: когда-то именно они «заставили» мигрировать целые планеты! После того как Юпитер занял свое положение, часть астероидов, обращающихся перед его орбитой, была поймана в сильные целочисленные резонансы, когда на один оборот гиганта приходилось несколько оборотов малого тела. В этой книге я часто говорю: «Юпитер выбросил какой-то объект». Но как так происходит, если гравитация – это сила притяжения? Это же не дипольное взаимодействие [44], как в магнетизме, когда разноименные полюса притягиваются, а равноименные, наоборот, отталкиваются друг от друга.
Все дело в том, что когда Солнце, астероид и Юпитер выстраиваются на одной линии (для простоты мы пренебрегаем наклонением их орбит), по-научному это называется противостоянием. В этот момент астероид и планета находятся на минимальном расстоянии друг от друга (мы помним, что орбиты планет, особенно астероидов, представляют собой не окружности, а эллипсы). В этот момент гравитационное воздействие Юпитера на астероид максимально: он притягивает его к себе, постепенно «вытягивая» его орбиту – увеличивая ее эксцентриситет. Из двух простейших формул расчета расстояния перигелия и афелия по кеплеровым элементам их орбит следует, что тем самым планета сокращает расстояние перигелия и увеличивает расстояние афелия орбиты астероида, попавшего с ней в орбитальный резонанс. С каждым противостоянием это гравитационное воздействие увеличивается, ведь в афелии астероид все ближе и ближе подходит к планете-гиганту, а его орбита вытягивается настолько, что астероид начинает пересекать уже орбиту Марса, который, в свою очередь, «помогает» направить космического гостя к орбите Земли и дальше. В итоге орбита астероида может полностью измениться, настолько приблизившись к Солнцу, что окажется внутри орбиты Земли.
Вот так со временем Юпитер «выбросил» почти все объекты из зон резонанса, создав пустынные области, где почти нет астероидов – люки Кирквуда, названные так по фамилии американского ученого Даниэля Кирквуда. Он высказал свою блестящую гипотезу еще в 1857 году, когда область между орбитами Марса и Юпитера только начинали называть «поясом астероидов», а всего их было известно около полусотни. Сейчас обнаружены и исследованы свыше десятка резонансов. Некоторые из них относят к сильным, и в этих областях пространства почти нет астероидов, а тела, которые попадают туда вследствие медленной миграции или столкновений, по космическим меркам быстро, за тысячи лет, «выбрасываются» вовне. К таким резонансам можно отнести орбиты со средним расстоянием от Солнца в 1,78 а. е. (5:1), 2,07 а. е. (4:1), 2,5 а. е. (3:1), 2,83 а. е. (5:2), 2,96 а. е. (7:3) и 3,28 а. е. (2:1).
Распределение астероидов в Главном поясе по среднему расстоянию от Солнца
