Кратко — несколько альтернативных сценариев ранней миграции гигантов, их количественные обоснования на основе распределения ледяных и каменистых тел, и конкретные наблюдательные/моделировочные тесты.
1) Классическая Nice (плавная+нестабильность)
- Описание: планеты начинали в более компактной конфигурации, внешняя планетезимальная диска массой $M_{\mathrm{disk}}\sim 10-50M_{\oplus }$ приводила к постепенно-обусловленной миграции, затем кратковременная нестабильность (рассеяние/смена орбит).
- Количественные требования и следствия:
- Необходимый сдвиг Нептуна: $\Delta a_N\approx 7-10\mathrm{AU}$ (пример: $a_{N,0}\sim 20\mathrm{AU}$ $\to$ $a_{N,f}\sim 30\mathrm{AU}$) для захвата резонансных популяций (плутино, 3:2 и т.д.).
- Массив планетезималей: $M_{\mathrm{disk}}\gtrsim 10M_{\oplus }$ для приведения в движение Нептуна на такую величину через перенос углового момента.
- Последовательность: медленная внешняя миграция (временная шкала $\tau \sim 10^7-10^8\mathrm{yr}$) + нестабильность с быстрыми перестановками (время скачка $\lesssim 10^5\mathrm{yr}$).
- Совместимость с наблюдаемым: горячие KBO и резонансные популяции легко образуются; холодный класcический пояс (низкие наклонения, высокое содержание двоичных систем ~$\sim 30\%$) выживает только если в момент прохождения области $42-47\mathrm{AU}$ эксцентриситет Нептуна был мал: $e_N\lesssim 0.05$.
- Тесты:
- Моделирование ансамблей N‑body с $M_{\mathrm{disk}}$ в указанном диапазоне и вариантом «плавная + скачкообразная нестабильность», сравнение распределений $a,e,i$ и резонансных долей с OSSOS/DECam. Статистический критерий: KS‑тест для распределений $i$ и $e$.
- Проверить сохранение высокой доли близких двоичных в холодном поясе; если дробление/уничтожение двоичных > $\sim 50\%$ — сценарий неверен.
2) Jumping‑Jupiter (прыгающий Юпитер)
- Описание: при нестабильности испытывается рассеяние промежуточной ледяной планеты, что вызывает быстрый скачок орбиты Юпитера/Сатурна — уменьшает долгосрочное воздействие на внутреннюю систему.
- Количественные требования:
- Быстрый скачок Юпитера: $\Delta a_J\sim 0.2-0.6\mathrm{AU}$ за $\lesssim 10^5\mathrm{yr}$.
- Такой режим предотвращает длительное прохождение резонансных возмущений через пояc астероидов и внутренние планеты (сохраняет стабильность Меркурий—Венера—Земля).
- Следствия и объяснения:
- Объясняет сохранность тонкой структуры пояса астероидов и низкую эксцитированность орбит земноподобных планет.
- Захват троянцев и иррегулярных спутников происходит эффективно при скачке; относительные числа зависят от величины скачка и массы исходного диска.
- Тесты:
- Сравнить модели с и без скачка по: количество захваченных троянцев, их асимметрию L4/L5, и распределения размеров; модель должна воспроизводить наблюдаемые числа и функцию размеров.
- Проверить, что модель имеет небольшое воздействие на пояса астероидов: фракция перенесённых/вбитых астероидов в данный диапазон должна быть совместима с метеоритной летописью.
3) Grand Tack (внутренний «тяп» Джупитера + Сатурна)
- Описание: в газовой стадии Юпитер сначала мигрирует внутрь до $a_J\sim 1.5\mathrm{AU}$, а затем совместно с Сатурном откатывается наружу к современным значениям.
- Количественные требования:
- Внутреннее погружение: $\Delta a_J\sim 3-4\mathrm{AU}$ (от $5.2$ до $\sim 1.5\mathrm{AU}$) на газовой временной шкале $\sim 10^5\mathrm{yr}$.
- Возврат наружу — совместная миграция в резонансе 2:3 с Сатурном.
- Следствия:
- Объясняет смешивание типов в поясе астероидов (S‑типы внутренние, C‑типы привнесены с внешней области).
- Объясняет малую массу Марса (зависит от временных и массовых параметров).
- Тесты:
- Геохимические: сравнить изотопные подписи воды/органики в C‑типах (D/H, ${}^{17}$O/^{16}O) и кометах; Grand Tack предсказывает имплантацию внешнего материала в главный пояс.
- Гидродинамические + N‑body: симуляции с газовым диском, оценить чувствительность к скорости миграции и массе планетезимального диска; требование: после «тяпа» получить смешанную композицию пояса и маломассивный Марс.
4) Низкомиграционная / in‑situ модель
- Описание: внешние планеты сформировались близко к нынешним орбитам; миграция мала: $\Delta a_N\lesssim 1-2\mathrm{AU}$, диск маломассивен $M_{\mathrm{disk}}\lesssim 5M_{\oplus }$.
- Следствия:
- Трудно получить богатые резонансные популяции и рассеянный диск без значительной миграции; объяснить горячие KBO/плутино сложно.
- Сохраняются спокойные характеристики холодного пояса.
- Тесты:
- Статистика резонансных объектов: если наблюдаемая доля 3:2, 2:1 значительно выше того, что дают слабые миграции — модель отвергается.
- Модели роста планет должны показать, что достаточно массы локально было для образования Урана/Нептуна без значительного притока.
Количественные проверочные критерии (чтобы отличить сценарии)
- Нептун должен переместиться на $\Delta a_N\gtrsim 7\mathrm{AU}$ для объяснения массовых резонансных популяций; если наблюдения укажут на меньшую долю резонансников — предпочесть низкомиграционные модели.
- Сохранение холодного классического пояса (высокая доля двоичных ~$\sim 30\%$, низкие $i$ и $e$) ставит ограничение на эксцентриситеты и возмущения Нептуна в момент формирования: $e_N\lesssim 0.05$.
- Чтобы избежать чрезмерного возбуждения пояса астероидов и внутренних планет, скачкообразный режим должен обеспечивать $\Delta a_J\gtrsim 0.2\mathrm{AU}$ в короткое время ($<10^5\mathrm{yr}$).
Наблюдательные программы, которые критичны
- Глубокие обзоры транснептунового пояса (OSSOS‑класс) для точного измерения распределений $a,e,i$, фракций резонансников и бинарной дроби в диапазоне $42-50\mathrm{AU}$.
- Сбор изотопных данных (D/H, O‑изотопы) для комет и C‑типов (миссии/спектроскопия) — тест имплантации материалов внутрь пояса.
- Поиск и статистика удалённых детачированных объектов (Sedna‑подобных) — даст ограничение на внешние возмущения (звёздные пролёты, влияние «Планеты‑9»).
- Детальное картирование троянцев (численность, асимметрия L4/L5, функция размеров) для проверки механизма захвата (плавный vs. скачок).
Моделировочные тесты (конкретика)
- Провести ансамбли N‑body симуляций ($N\gtrsim 10^2-10^3$) при варьировании параметров: $M_{\mathrm{disk}}$ = $\{5,15,30,50\}{M}_{\oplus }$, $a_{N,0}$ от $18$ до $24\mathrm{AU}$, время нестабильности $t_{\mathrm{inst}}$ от $10^6$ до $10^8\mathrm{yr}$, и наличие/отсутствие скачка Юпитера ($\Delta a_J$ как параметр).
- Включать синтетику обзора (обсервационные смещения) и сравнивать с реальным каталогом KBO по метрикам: резонансные фракции, распределение $i$ (KS‑p>0.05), бинарная доля.
- Оценивать чувствительность к газовой фазе (Grand Tack): гидродинамич. + N‑body мультифазные симуляции, смотреть влияние скорости миграции $\tau \sim 10^5\mathrm{yr}$ на формирование пояса астероидов и массу Марса.
Вывод (кратко)
- Если наблюления подтверждают: (а) массовые резонансные популяции + рассеянный диск, (б) сохранность холодного пояса (низкие $i,e$, много двоичных), то наиболее правдоподобны гибридные Nice‑варианты с внешним диском $M_{\mathrm{disk}}\sim 10-30M_{\oplus }$ и либо плавной миграцией с последующим скачком, либо Jumping‑Jupiter.
- Если же резонансных объектов и захваченных троянцев меньше, либо обнаружат сильные изотопные отличия, предпочтение может уйти к Grand Tack (для внутренней имплантации) или к низкомиграционной модели (если резонансов мало).
- Конечный шаг — систематическое сочетание наблюдений (KBO‑каталоги, троянцы, изотопы) и ансамблевых симуляций с учётом наблюдательных смещений; сравнение по набору количественных критериев, перечисленных выше.