На холодных, темных окраинах планетных систем, далеко за пределами известных планет, тихо вращаются вокруг своих звезд загадочные газовые гиганты и планетарные массы — иногда на расстоянии тысяч астрономических единиц (а.е.).

Ученые годами ломали голову над тем, как такие «дальние» планеты, включая гипотетическую Девятую планету в нашей Солнечной системе, вообще могли сформироваться. Теперь астрономы, возможно, нашли ответ.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Astronomy, команда из Университета Райса и Института планетологии использовала сложные модели, чтобы показать: такие планеты — не аномалия, а естественный результат хаотичных процессов в молодых планетных системах.

Все происходит, пока звезды еще скучены в своих родных скоплениях, а планеты сталкиваются и борются за место в турбулентной, переполненной системе.

Представьте себе пинбол в космическом аркадном автомате, — говорит Андре Изидоро, ведущий автор исследования. — Когда гигантские планеты разбрасывает гравитацией, некоторые вылетают далеко от звезды. Если время и окружение сложатся правильно, их не выбрасывает в межзвездное пространство — они застревают на сверхдальних орбитах.

Ученые провели тысячи симуляций, моделируя разные системы — от похожих на Солнечную (с газовыми и ледяными гигантами) до двойных звезд. Оказалось, что внутренние неустойчивости часто выталкивают планеты на вытянутые орбиты, а гравитация соседних звезд в скоплении стабилизирует их.

Если гравитационный толчок происходит в нужный момент, орбита планеты «отцепляется» от внутренней системы, — объясняет соавтор Нейтан Кайб. — Так появляется далекий мир, который остается на месте, даже когда звездное скопление рассеивается.

Исследователи называют «дальними» планеты с орбитами от 100 до 10 000 а.е. — там, где классические протопланетные диски уже не работают.

Это может объяснить загадку Девятой планеты — гипотетического объекта в 250–1000 а.е. от Солнца. Ее пока не видели, но странные орбиты некоторых транснептуновых тел намекают на ее присутствие.

Наши модели показывают: если ранняя Солнечная система пережила две фазы нестабильности — рост Урана и Нептуна, а потом «драку» газовых гигантов, — шанс, что Девятая планета застряла на дальней орбите, достигает 40%, — говорит Изидоро.

Любопытно, что такие планеты связаны с «изгоями» — мирами, выброшенными из своих систем.

Не всем везет закрепиться, — замечает Кайб. — Большинство улетает в межзвездную пустоту. Но те, что остаются, помогают понять, почему одни планеты блуждают по галактике, а другие вращаются в тысячах а.е. от звезды.

Вероятность «захвата» планеты (5–10% для систем вроде нашей) зависит от ее типа. Например, у систем с ледяными гигантами или двойными звездами шансы ниже.

Примерно одна дальняя планета на тысячу звезд, — уточняет Изидоро. — Кажется, мало, но в масштабах галактики это миллионы миров.

Исследование также подсказывает, где искать такие объекты: у звезд с высоким содержанием металлов и газовыми гигантами. А если Девятая планета существует, ее может обнаружить обсерватория Веры Рубин, когда заработает на полную мощность.

Мы не просто приближаемся к разгадке тайны Девятой планеты — мы начинаем видеть, как устроены и эволюционируют планетные системы по всей галактике, — заключает Изидоро.

Этот труд важен по трем причинам:

• Объясняет аномалии. Теперь мы понимаем, откуда берутся сверхдалекие планеты и почему некоторые системы «выстреливают» мирами в межзвездное пространство.
• Дает инструменты для поиска. Зная, что такие планеты чаще встречаются у звезд с газовыми гигантами, астрономы сузят область поиска.
• Связывает теорию с наблюдениями. Моделирование хаотичных процессов в молодых скоплениях помогает интерпретировать данные телескопов — от JWST до будущей обсерватории Рубин.

Хотя моделирование впечатляет, оно опирается на гипотетические начальные условия ранней Солнечной системы. Если наши представления о ее формировании ошибочны, выводы о Девятой планете могут оказаться спекулятивными.

Ранее ученые сообщили, как Плутон потерял статус планеты.