Zgodnie z hipotezą Wielkiego Manewru Jowisz podróżował kiedyś przez Układ Słoneczny, siejąc spustoszenie swoją grawitacją. Ta hipoteza wciąż nie jest w pełni akceptowana przez społeczność naukową ze względu na jej złożoność, ale ostatnio pojawiły się nowe dowody na jej korzyść.
Astronomowie pod kierownictwem René Hellera z McMaster University opublikowali odpowiedni wydruk wstępny na arXiv.org, a sam artykuł został już przyjęty do publikacji w Astronomy & Astrophysics. Aby lepiej zrozumieć, dlaczego naukowcy potrzebują takiej hipotezy, należy najpierw odpowiedzieć na kilka ważnych pytań.
Niezwykły system
Jeszcze do niedawna struktura Układu Słonecznego nie budziła żadnych wątpliwości: po prostu nie było z czym go porównywać. To prawda, że istniejące modele powstawania planet z obłoku protoplanetarnego nie dały obrazu, który astronomowie obserwują w praktyce, ale przypisywano to niedoskonałości samych modeli. Pierwsze odkrycia egzoplanet w latach 90. ubiegłego wieku nie miały szczególnego wpływu na sytuację: próbka była niewielka, egzoplanet było niewiele.
W 2009 roku wystrzelono teleskop Keplera, którego głównym celem było poszukiwanie egzoplanet. Od 2015 roku NASA zarejestrowała ponad 4 tysiące kandydujących planet widzianych przez statek kosmiczny. Po pierwszym tysiącu z nich stało się jasne, że nasz układ gwiezdny jest bardzo daleki od typowego.
Po pierwsze, mamy cztery planety wielkości Ziemi lub mniejszej i ani jednej superziemi - ciała o promieniu 1,25-2,00 razy większym od Ziemi. W tym samym czasie w układach gwiazdowych badanych przez nasze teleskopy superziemi, przeciwnie, są półtora raza większe niż tak zwane "planety wielkości Ziemi".
Większość z 800 "planet ziemskich" (po lewej) faktycznie ma promień nieco większy niż nasza planeta, a masa przekracza go od 1,5 do 17 razy; Ziemia, Wenus, Mars i Merkury są znacznie lżejsze niż typowe planety stałe innych układów
Film promocyjny:
Cytaty tutaj nie są przypadkowe: ta klasa obejmuje wszystkie ciała o promieniu mniejszym niż 1,25 Ziemi. Ale większość z nich jest większa od naszej planety i znacznie cięższa od niej (na przykład Kepler-10c jest 17 razy masywniejszy niż Ziemia). Zrozumiano, że rozwój układu planetarnego wokół Słońca przebiegał w inny sposób niż w układach egzoplanetarnych z superziemiami.
Po drugie, w większości obecnie znanych układów giganty gazowe są znacznie bliżej gwiazdy centralnej niż nasz Jowisz i Saturn. Czasami nawet bliżej Merkurego. Giganci nie mogliby powstać w takim miejscu - promieniowanie gwiazdy po prostu zapobiegłoby powstawaniu planet. Oznacza to, jak doszli naukowcy do wniosku, że giganty powstają daleko od gwiazdy, jednak następnie są one spowalniane przez substancję pozostałą z dysku protoplanetarnego, zbliżając się do orbit.
Jednak w naszym układzie spowolnienie, gdyby było, miało zupełnie inne konsekwencje - olbrzymy nadal znajdują się dość daleko od Słońca.
Czas na migrację
W 2010 roku grupa Kevina Walsha przedstawiła hipotezę, która wyjaśniła zarówno brak superziemi w Układzie Słonecznym, jak i względne oddalenie gazowych gigantów przez to samo zdarzenie - tak zwaną hipotezę Grand Tack.
Według Walsha, gdy Układ Słoneczny miał od 1 do 10 milionów lat, a planety ziemskie jeszcze się nie uformowały, Jowisz migrował z orbity 3,5 jednostki astronomicznej (około 525 milionów kilometrów od Słońca, jedna jednostka astronomiczna jest równa średniej odległości od Ziemi do Słońca) na orbitę 1,5 jednostki astronomicznej, na której znajduje się teraz Mars. Tam gigantyczna planeta zatrzymała się, prawdopodobnie z powodu grawitacji Saturna, który migrował za Jowiszem na orbitę 2 jednostek astronomicznych od Słońca. Gigant zaczął wtedy powoli się cofać, aż powrócił na swoją obecną orbitę 5 jednostek astronomicznych.
Gdyby nie migracja Jowisza i Saturna, które są przez niego przenoszone, do Słońca iz powrotem, wewnętrzny region Układu Słonecznego (powyżej) wyglądałby tak teraz (poniżej).
Hipoteza Wielkiego Manewru trafnie wyjaśniała wiele bardzo niezwykłych cech Układu Słonecznego. Jowisz, podczas swojej podróży do Słońca iz powrotem, musiał oczyścić miejsce powstania planet ziemskich z „dodatkowej” masy gazu i pyłu, pozbawiając je możliwości stania się super-ziemiami. Jednocześnie na miejsca powstania Marsa i pasa asteroid najbardziej wpłynęła grawitacja gigantycznej planety, co doprowadziło do ich nienormalnie małej (a jest to z punktu widzenia ewolucji Układu Słonecznego) masy.
Ale mimo całej atrakcyjności hipotezy wygląda ona na dość skomplikowaną, dlatego wielu astronomów wciąż wątpi w jej poprawność. W nowej pracy Rene Eller i współautorzy postanowili sprawdzić, jaki wpływ może mieć Wielki Manewr na księżyce Jowisza. Ich idea jest prosta: konieczne jest przeprowadzenie symulacji rozwoju układu słonecznego z manewrowaniem i bez niego, a następnie porównanie wyników. Jeśli symulacja z manewrowaniem jest bardziej zgodna z prawdą, oznacza to, że nowa praca będzie kolejnym dowodem hipotezy. Jeśli bez manewrów, niech tak będzie - oznacza to, że hipoteza o migrującym Jowiszu jest zbyt egzotyczna.
Najbardziej interesujące dla takich symulacji są Ganimedes i Callisto, dwa duże satelity Jowisza, w połowie wodne i pół stałe. Faktem jest, że jeśli hipoteza manewrowa jest słuszna, to oba te ciała powinny były uformować się przed właściwym manewrowaniem: obiekty z takim udziałem lodu wodnego nie pojawiają się w miejscach, które są bliżej pewnej odległości od Słońca. Według obliczeń autorów, biorąc pod uwagę wpływ najmłodszego Jowisza i jego dysku okołoplanetarnego, Kallisto i Ganimedes mogły powstać nie bliżej niż 4 jednostki astronomiczne od Słońca.
Tytan (w lewym dolnym rogu) nie jest daleko od Księżyca pod względem wielkości i grawitacji, ale tam, gdzie powstał, było więcej lekkich elementów, dlatego stosunkowo mały satelita ma atmosferę azotową czterokrotnie gęstszą niż Ziemia.
Jakie ślady może zostawić wielki Tacking na satelitach? Chodzi o atmosferę. Autorzy pracy wyszli z założenia, że atmosfera księżyca Saturna, Tytana, oraz obecnie atmosferycznego Jowisza Kalisto i Ganimedesa, były początkowo podobne, podobnie jak ich masy i strefy formowania.
Jednocześnie szacunki istniejących modeli mówią, że atmosfera Tytana, która jest cztery razy gęstsza od Ziemi, może zostać utracona grawitacyjnie nie wcześniej niż za septillion lat. Nawet jeśli w przypadku satelitów Jowisza liczba ta jest kilkakrotnie zmniejszana, taka atmosfera po prostu nie mogłaby zostać przez nich utracona podczas życia Układu Słonecznego. Dlatego naukowcy zasugerowali, że ogrzewanie satelitów spowodowane siłami grawitacji gazowego olbrzyma odegrało kluczową rolę w utracie atmosfery.
Jednocześnie modelowanie bez sczepiania wykazało, że pomimo silnego pola grawitacyjnego Jowisz może zapewnić ogrzewanie i utratę powłoki gazowej tylko w satelitach blisko tej planety, takich jak Io i Europa. Ale Ganimedes i Kallisto znajdowaliby się za „linią śniegu” głównego dysku w pobliżu Jowisza i nie byliby w stanie stracić atmosfery z powodu ogrzewania.
Wygląda na to, że Callisto jest bogate w lekkie pierwiastki (jak Tytan), a nawet ma ocean pod lodem, ale nie ma znaczącej atmosfery.
Kiedy autorzy pracy wprowadzili do swojego modelowania skutki Wielkiego Manewru, „umieszczając” Jowisza wraz z dyskiem na wysokości 1,5 jednostki astronomicznej. od Słońca, gdzie otrzymywałoby około dziesięć razy więcej promieniowania słonecznego, sytuacja się zmieniła.
Według współczesnych danych Słońce w pierwszym milionie lat swojego życia emitowało od 100 do 10 000 razy więcej promieni rentgenowskich i ultrafioletowych niż obecnie. Ciało z atmosferą azotową, takie jak obecna Ziemia lub Tytan, w takich warunkach nieuchronnie straciło swoją gazową osłonę. Faktem jest, że energia fotonów takiego promieniowania jest znacznie wyższa niż energii światła widzialnego, a po ich zaabsorbowaniu cząsteczki azotu musiały szybko osiągnąć prędkość kilku kilometrów na sekundę i opuścić atmosferę. Według obliczeń autorów w takich warunkach pierwotna azotowa atmosfera Ziemi została utracona w ciągu zaledwie kilku milionów lat. I ciała takie jak Ganimedes i Kallisto na orbicie 1,5 jednostki astronomicznej. jeszcze szybciej stracili atmosferę.
Wniosek ten korzystnie odróżnia model Wielkiego Manewrowania od założenia, że orbity planet pozostają niezmienione. W ramach tego ostatniego bardzo trudno sobie wyobrazić, jak dokładnie satelity Jowisza mogą utracić swoją atmosferę bez utraty lodu wodnego po drodze.
Titan ma swoją atmosferę
Aby wyjaśnić, dlaczego w tych warunkach Tytan nie stracił swojej atmosfery razem z Saturnem w 2 AU. ze Słońca, autorzy oparli się na danych pochodzących z modelowania pierwotnego dysku okołoplanetarnego Saturna. Według niej Tytan jako satelita nie mógł powstać przed Wielkim Manewrem. Planety Słońca, tak jak widzimy w układach egzoplanetarnych, powstawały w różnym tempie, a kiedy najbardziej masywny (Jowisz) już zakończył ten proces, Saturn nie „zyskał” jeszcze około 10 procent swojej masy. Oznacza to, że do czasu Wielkiego Manewru nadal aktywnie absorbował materię z dysku okołoplanetarnego. W takich warunkach Tytan, gdyby istniał w tym momencie, z pewnością spadłby na Saturna. Dlatego Eller konkluduje, że w rzeczywistości Tytan mógł uformować się zaledwie kilkaset tysięcy lat po zakończeniu manewrów.
W jaki sposób Ziemia miała atmosferę azotową w takich warunkach? Autorzy zwracają uwagę, że według szeregu innych prac, w pierwotnej atmosferze Ziemi z jej znaczną grawitacją było dużo dwutlenku węgla, który oddziałuje z energicznymi fotonami w zupełnie inny sposób, a po ich wchłonięciu mógł skutecznie ponownie wyemitować otrzymaną energię w kosmos, schładzając górne warstwy ówczesnej ziemskiej atmosfery. …
Astronomowie dochodzą do wniosku, że w obecnej konfiguracji Układu Słonecznego prawie niemożliwe jest zaproponowanie innego scenariusza, w którym niektóre satelity planet olbrzymów mają atmosferę czterokrotnie gęstszą od Ziemi, podczas gdy inne w ogóle jej nie mają. Ale w ramach hipotezy Wielkich Manewrów obecny wygląd satelitów Jowisza i Saturna można wyjaśnić znacznie skuteczniej, niż gdybyśmy założyli, że obie te planety nigdy nie migrowały do Słońca iz powrotem.
Jednocześnie hipoteza ta ma wiele nierozwiązanych problemów. Kluczowe jest jednak to, że niezwykle trudno jest to zweryfikować w całości. Zbyt wiele zmieniło się w naszym systemie w ciągu ostatnich 4,5 miliarda lat, a wiele ważnych czynników, które wpłynęły na wczesny okres jego historii, można przywrócić tylko pośrednio. Nie chodzi tylko o szybkość procesów migracyjnych, które silnie zależały od niezupełnie wyraźnej gęstości starożytnego, okołobiegunowego obłoku protoplanetarnego. Szereg modeli zmusza nas do przypuszczenia, że podczas migracji w tamtym czasie gazowe giganty mogły wyrzucić jedną lub dwie duże planety z Układu Słonecznego poprzez oddziaływanie grawitacyjne, a w tym przypadku obserwowane przez nas ciała mogą nie dać całkowicie wyczerpujących informacji o przeszłych wydarzeniach. Dla pełniejszego potwierdzenia hipotezy potrzebne są bardziej kompletne dane obserwacyjne dla tego samego Ganimedesa i Kallisto, które grupa Ellera ma nadzieję otrzymać z europejskiego statku kosmicznego JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), który ma podróżować na księżyce Jowisza w latach 2022-2030.
Borysa Aleksandrowa