Naukowcy nadal badają układ słoneczny i wygląda on bardzo interesująco. Na przykład współczesne orbity planetarne zawierają wskazówki, które ujawniają trudne warunki powstania Układu Słonecznego - i być może istnienie międzygwiazdowego olbrzyma, który zagubił się dawno temu. Nasz Układ Słoneczny jest jak miejsce zbrodni, które wydarzyło się 4,6 miliarda lat temu.
Współczesne orbity zawierają wskazówki, które ujawniają trudne warunki powstania Układu Słonecznego - i prawdopodobnie istnienie międzygwiazdowego olbrzyma, który zagubił się dawno temu.
Nasz Układ Słoneczny jest jak miejsce zbrodni, które wydarzyło się 4,6 miliarda lat temu.
Powierzchnie usiane kraterami, przesunięte orbity planet i chmury międzyplanetarnych szczątków to kosmiczne odpowiedniki rozprysku krwi na ścianach i śladów poślizgu samochodu opuszczającego pościg. Te i inne wskazówki mówią o chaotycznym pochodzeniu naszej planetarnej rodziny.
Wśród tych śladów czają się wskazówki dotyczące zaginionego rodzeństwa, planety 9 (nie, nie Plutona), wyrzuconej w grawitacyjnym przeciąganiu liny, które towarzyszyło pierwotnemu formowaniu się Układu Słonecznego.
Obecnie cztery ogromne planety dominują na obrzeżach Układu Słonecznego: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Za nimi znajduje się Pas Kuipera - pole odłamków lodu, wśród których znajduje się Pluton.
„Nie myśl, że peryferia Układu Słonecznego zawsze były takie same jak teraz” - mówi David Nesvorny, planetolog z Southwest Research Institute w Boulder w Kolorado, który po raz pierwszy opowiedział się za uciekającą planetą w 2011 roku. rok.
Nesvorni jest członkiem grupy naukowców, którzy próbują dowiedzieć się, jak ewoluował Układ Słoneczny w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat jego istnienia. Korzystając z zaawansowanych modeli komputerowych, naukowcy opracowali chronologię zderzeń między nowo narodzonymi planetami, które powstały stosunkowo blisko siebie - na przemian ślizgały się i skakały z jednej orbity na drugą. Modele te ujawniły wiele drobnych szczegółów dotyczących dzisiejszego ruchu planet, asteroid i komet wokół Słońca.
Film promocyjny:
Był tylko jeden problem. Zazwyczaj symulowane scenariusze kończyły się wypędzeniem Urana lub Neptuna z Układu Słonecznego, jak napisał Nesvorny we wrześniu w Annual Review of Astronomy and Astrophysics.
Ponieważ w rzeczywistości Uran i Neptun pozostają na swoich miejscach - statek kosmiczny odwiedził ich obu - coś w tych scenariuszach nie wyszło. Jednak, jak podejrzewa wielu badaczy, kluczowym graczem w tej tajemnicy i brakującym ogniwem w historii Układu Słonecznego może być piąta gigantyczna planeta.
Zaginiona planeta
Astronomowie polegają na modelach komputerowych, aby odtworzyć te starożytne sceny, tworząc tysiące różnych układów słonecznych na tysiące różnych sposobów. Przekładają prawa fizyki i wszelkie początkowe pozycje planet, jakie przyjdą im do głowy, na kod programu. Badacz ustawia parametry - tu jedna planeta, tam kilka asteroid - a potem odchyla się w fotelu i pozwala symulowanemu środowisku wykonać całą pracę za niego. Po kilku tygodniach w czasie rzeczywistym - milionach lat w modelu - astronom sprawdza wyniki, aby zobaczyć, co stało się z Układem Słonecznym. Im bliżej rzeczywistości, tym większy sukces modelu.
To właśnie zrobił Nesvorni w 2009 roku. Zagłębił się w wirtualne układy słoneczne, próbując uratować wirtualnego Urana i wirtualnego Neptuna z ich wirtualnych ścieżek w kosmosie.
Problemem był Jowisz, gigantyczna planeta chuliganów, której grawitacja może sięgać na tyle daleko, że może być poruszana przez mniejsze planety i różne szczątki. W najbardziej udanej dotychczas symulacji Jowisz i jedna z dwóch planet zewnętrznych odbiły się od siebie i ostatecznie osiadły na swoich obecnych orbitach. Ale zdarzyło się to tylko w jednym procencie wszystkich modeli. W pozostałych 99% przypadków Jowisz rzucił Urana lub Neptuna tak mocno, że opuściły Układ Słoneczny i nigdy do niego nie wróciły.
„To sprawiło, że sytuacja była bardzo tajemnicza, ponieważ wiedzieliśmy, że Uran i Neptun nadal istnieją w swojej obecnej formie” - mówi Nesvorni. Więc kontynuował eksperymentowanie. Po roku symulacji niezliczonych różnych scenariuszy zaczął myśleć o dodaniu planet męczenników - dodatkowych planet poświęconych, by ocalić resztę.
„Po prostu zasymulowałem ich istnienie, żeby zobaczyć, co się stało, a nie dlatego, że poważnie podchodziłem do samego pomysłu” - mówi Nesvorni. „Ale potem zdałem sobie sprawę, że może być w nim rozsądne ziarno”. Przebiegł około 10 000 scenariuszy, zmieniając liczbę dodatkowych planet, ich pierwotne położenie i masę każdej z nich.
Najlepszą opcją, która najdokładniej przewidywała aktualny stan naszego Układu Słonecznego, okazała się ta, w której dodatkowa planeta znajdowała się pomiędzy pierwotnymi orbitami Saturna i Urana. Pod względem masy planeta była w przybliżeniu równa Uranowi i Neptunowi i była prawie 16 razy większa niż Ziemia. To taka planeta, która może zderzyć się z orbitą Jowisza i wylecieć z Układu Słonecznego.
Wykres pokazuje, jak zmieniała się odległość między planetami a słońcem w czasie. Przez pierwsze kilka milionów lat w modelu komputerowym orbity zmieniały się powoli, po czym nastąpił bliski kontakt między Saturnem (kolor zielony) a dodatkową planetą (kolor fioletowy), co doprowadziło do destabilizacji orbit. Linie przerywane wskazują aktualne rozmiary orbit. (Źródło: zaczerpnięte z materiałów D. Nesvornego / sekcja astronomii i astrofizyki magazynu Knowable, 2018.)
Szanse są nadal niewielkie. W kolejnych modelach to dopasowanie zakończyło się sukcesem w około pięciu procentach przypadków. „Istnienie Układu Słonecznego w jego obecnej formie nie jest ani typowe, ani przewidywalne” - zauważył Nesvorny w 2012 roku w artykule napisanym wspólnie ze swoim kolegą Alessandro Morbidelli z francuskiego obserwatorium Riviera. Mimo to model znacznie poprawił wskaźnik sukcesu o 1% w przypadku modeli obejmujących tylko cztery olbrzymie planety, które znamy i kochamy dzisiaj.
„Zakładanie, że pojawi się piąta planeta, znacznie ułatwia wyjaśnienie tego, co się dzieje” - mówi Sean Raymond, planetolog z Uniwersytetu w Bordeaux we Francji. I chociaż dowody są głównie poszlakowe, „o wiele bardziej logiczne jest założenie, że wtedy istniała również piąta planeta”.
Może się to wydawać bardzo kontrowersyjnym założeniem. Jak astronomowie mogą cokolwiek wiedzieć o tym, co wydarzyło się cztery miliardy lat temu, nawet z planetami, które możemy obserwować teraz, nie mówiąc już o tych, o których nic nie wiemy? Okazuje się jednak, że planety pozostawiły po sobie wiele bitewnych blizn młodości jako dowód dla detektywów przyszłości.
Międzyplanetarny rozprysk krwi
„Jesteśmy bardziej niż pewni, że planety nie powstały tam, gdzie są dzisiaj” - powiedział Nathan Keib, planetolog z University of Oklahoma w Normanie.
Jednak ta świadomość wydarzyła się całkiem niedawno. Przez większość historii astrologowie nie mieli wątpliwości, że planety zawsze znajdowały się na swoich obecnych orbitach. Jednak na początku lat 90. XX wieku naukowcy zdali sobie sprawę, że w takim modelu czegoś brakuje.
Neptun i Tryton.
Tuż za orbitą Neptuna znajduje się pas Kuipera, rozproszenie odłamków lodu, który otacza Słońce. „To nasza krew rozpryskująca się na ścianie” - mówi Konstantin Batygin, planetolog z California Institute of Technology.
Lokalizacja obiektów z pasa Kuipera doprowadziła badaczy do nieuniknionego wniosku: Neptun powinien był uformować się znacznie bliżej Słońca, niż sugeruje jego obecne położenie. Wiele obiektów z Pasa Kuipera skupia się w koncentrycznych orbitach, które niejasno przypominają rowki na płycie muzycznej. Te orbity nie są przypadkowe - są bezpośrednio związane z Neptunem.
Na przykład Pluton jest najbardziej znanym mieszkańcem pasa Kuipera. On i kilkuset innych znanych nam podróżników dokonuje dokładnie dwóch obrotów wokół Słońca w trzech, które Neptun wykonuje w tym samym okresie. Inne strumienie szczątków w pasie wykonują jeden pełny obrót na każde dwa ukończone przez Neptuna - a raczej cztery na każde siedem.
Pas Kuipera nie mógł powstać w ten sposób bez zewnętrznych wpływów. Jeśli jednak założymy, że Neptun wzrósł bliżej Słońca, a następnie przesunął się na zewnątrz, jego siła grawitacji byłaby wystarczająco duża, aby złapać międzyplanetarne szczątki w swoich sieciach i wysłać je na te niezwykłe orbity.
Ten model pokazuje, jak bliskie rozmieszczenie planet zewnętrznych (zdjęcie po lewej) może zmieniać się w czasie. Orbity Jowisza i Saturna zbiegają się (zdjęcie w środku), co prowadzi do zmiany wszystkich innych orbit. W szczególności w tym modelu Uran i Neptun są zamienione. Jakiś czas później (zdjęcie po prawej) kosmiczne śmieci są rozproszone - część z nich osadza się w pasie Kuipera, podczas gdy planety zaczynają poruszać się w kierunku swoich obecnych orbit. (Źródło: na podstawie Astromark / Wikimedia Commons).
Zbiegło się to z przewidywaniami niektórych modeli uzyskanych dekadę wcześniej.
Powstanie planet pozostawiło po sobie bałagan szczątków rozsianych po całym Układzie Słonecznym. Wszelkie fragmenty, które zbliżyłyby się zbytnio do Neptuna, nieuchronnie uległyby działaniu jego grawitacji. Ponieważ po każdej akcji następuje przeciwstawienie o równej sile, za każdym razem, gdy Neptun popychał odłamek, sam poruszał się w przeciwnym kierunku. Powoli, ale zdecydowanie Neptun oddalał się od słońca.
Proces migracji Neptuna dotyczy również innych planet olbrzymów. W końcu Jowisz, Saturn i Uran przeszli przez to samo pole szczątków i poradzili sobie z podobnymi oddziaływaniami grawitacyjnymi. A gdyby Neptun przeniósł się w nowe miejsce, to samo powinno stać się ze wszystkimi innymi planetami olbrzymami.
A ten proces najwyraźniej nie przebiegał gładko.
Nieustanne zderzenia z tymi wszystkimi szczątkami powinny zamienić orbity gigantycznych planet w idealne, smukłe koła - tak jak glina na kole garncarskim jest wygładzana mocną ręką garncarza. Jednak orbity okazały się zupełnie inne. Zamiast tego olbrzymie planety poruszają się po nieco wydłużonych i zniekształconych orbitach. Jakby ktoś uderzył kołem, zmieniając kształt niegdyś okrągłych garnków.
Jowisz skaczący
Do 2005 roku naukowcy zidentyfikowali winowajcę. Nowe modele sugerują, że w pewnym momencie gigantyczne planety przeszły przez coś, co naukowcy nazywają „dynamiczną niestabilnością”. Innymi słowy, przez około milion lat wszystko zmieniło się w szalony wir. Najbardziej prawdopodobną przyczyną tego wydawała się seria zderzeń pomiędzy Saturnem i Uranem lub Neptunem - czyli jednym z lodowych olbrzymów - która wysłała jednego z nich bezpośrednio w kierunku Jowisza. Gdy tylko zaginiona planeta się zbliżyła, jej grawitacja pociągnęła Jowisza, spowalniając go i spychając na węższą orbitę. Jednak Jowisz przyciągnął inwazyjną planetę z nie mniejszą siłą. Lodowy olbrzym, będąc znacznie lżejszym, przyspieszył znacznie bardziej, niż Jowisz zwolnił i oddalił się od słońca.
Taki incydent byłby pogromem grawitacyjnym w Układzie Słonecznym. Jowisz skoczył głębiej do wewnątrz, podczas gdy reszta planet zewnętrznych wyskoczyła na zewnątrz. Takie pchnięcie spowodowałoby wygięcie orbit planet olbrzymów do ich obecnego stanu. Ponadto uratowałoby wewnętrzny układ słoneczny - Merkurego, Wenus, Ziemię, Marsa i pas asteroid - przed grawitacją zarówno od Jowisza, jak i Saturna, co było kolejnym problemem w najwcześniejszych modelach.
Co prowadzi nas do usunięcia Urana lub Neptuna z systemu. To na tym etapie symulacji Jowisz najczęściej odrzuca jednego z lodowych olbrzymów.
To jest właśnie problem, który Nesvorny próbował rozwiązać, nie psując wszystkiego innego w symulacjach, które działały. Dodatkowy lodowy olbrzym przejmuje ciężar ciosu od Jowisza, dzięki czemu reszta scenariusza może się rozwijać bez przeszkód.
„To całkiem prawdopodobne” - mówi Batygin. „To wcale nie jest fakt, że zawsze istniały dokładnie dwa lodowe olbrzymy zamiast trzech”. Wręcz przeciwnie, mówi, niektóre obliczenia pozwalają na pierwotne istnienie do pięciu planet podobnych do Neptuna.
Batygin i jego koledzy badali tę kwestię równolegle z Nesvornim, chociaż z różnych powodów. „Chciałem pokazać, że nie może być dodatkowej gigantycznej planety” - mówi Nesvorni.
Wielka czerwona plama Jowisza. Zdjęcie zrobione przez Voyager 1.
Doszedł do wniosku, że opuszczając Układ Słoneczny, ta domniemana planeta musiała zostawić ślad tu i ówdzie w pasie Kuipera, na obszarze znanym jako „zimny pas klasyczny”. Gdyby pas Kuipera był pączkiem, kontynuuje Batygin, zimny klasyczny pas stałby się jego czekoladowym nadzieniem - skupiskiem obiektów, których orbity znajdują się praktycznie w tej samej płaszczyźnie w obrębie pasa Kuipera. Mijająca planeta powinna zakłócić te orbity - przynajmniej tak uważali Batygin i jego koledzy.
Ich modele komputerowe wykazały, że nic takiego się nie wydarzyło. Ku ich zdziwieniu wygnana planeta nie zniszczyłaby zimnego klasycznego pasa w drodze do wyjścia. Nie dowodzi to istnienia planety - uzyskany wynik wskazuje jedynie, że Układ Słoneczny mógłby istnieć w swojej obecnej formie, zarówno z nią, jak i bez niej. Czy ta planeta mogła zostawić wyraźniejszy ślad? Albo wracając do analogii miejsca zbrodni, czy są jakieś ślady poślizgu? Nesvorni uważa, że takie ślady mogą pozostać.
Rdzeń prawdy
Jest jeszcze jedna część pasa Kuipera - wąski strumień lodowych szczątków zwany rdzeniem, którego orbity nie odpowiadają aktualnej pozycji Neptuna. Jego pochodzenie jest tajemnicą. W 2015 roku Nesvorni argumentował, że być może przyczyną wszystkiego może być ruch Neptuna od Słońca, sprowokowany przez minioną planetę.
Gdy Neptun wszedł na swoją końcową orbitę i zmiótł szczątki na orbity zgodne z jego własną, w pewnym momencie może zostać ujawniony, że uwolnił wystarczającą ilość tych szczątków, aby utworzyć własny strumień.
Modele pokazały, że to samo uderzenie grawitacyjne, które mogło spowodować, że Jowisz przeskoczył z orbity na orbitę i wypchnął dodatkową planetę z Układu Słonecznego, mogło nastąpić w odpowiednim momencie, aby wypchnąć również Neptuna.
„Rezultatem jest coś w rodzaju jądra” - mówi Nesvorni. „To poszlaki… nie są rozstrzygające”.
Prawdę mówiąc, nigdy nie dowiemy się na pewno, co wydarzyło się w Układzie Słonecznym podczas jego powstawania. „Nie możemy pisać Biblii o Układzie Słonecznym” - mówi Batygin. „O tych wydarzeniach możemy mówić tylko bardzo ogólnie”.
Jeśli któryś z mieszkańców Układu Słonecznego rzeczywiście zostanie wydalony z jego granic, to jest w dobrym towarzystwie. W ostatnich latach astronomowie odkryli kilka zbłąkanych planet dryfujących między gwiazdami, które najprawdopodobniej również zostały wyrzucone z ich domów. Projektując wyniki tego odkrycia na pozostałą część galaktyki, „istnieje znacznie więcej swobodnie latających planet wielkości Jowisza niż gwiazd” - mówi Nesvorni.
Może to być przesada - według ostatnich szacunków na cztery gwiazdy przypada tylko jedna planeta podobna do Jowisza - ale wciąż są to miliardy światów wędrujących. A to tylko te, które są porównywalne pod względem wielkości do Jowisza. Nasz wyrzutek był prawdopodobnie mniejszy - mniej więcej wielkości Neptuna; i nie mamy pojęcia, ile takich ciał wędruje po galaktyce. Ale wiemy, że Wszechświat preferuje małe ciała niż duże.
„Założę się, że jest ich dużo” - mówi Nesvorni. Między innymi astronomowie odkryli tysiące układów gwiezdnych w Drodze Mlecznej, a wiele z nich wykazuje oznaki kolizji na znacznie większą skalę niż ta omówiona powyżej. „To niesamowite” - mówi Nesvorni - „jak uporządkowany pozostał układ słoneczny”.
Christopher Crockett