Od czasu Kopernika naukowcy powoli oddalają Ziemię od jej z góry określonego „środka wszechświata”. Naukowcy przyznają teraz, że Słońce jest zwykłą gwiazdą, niezbyt gorącą, niezbyt zimną, niezbyt jasną, niezbyt ciemną, zlokalizowaną w przypadkowym miejscu w zwykłej galaktyce spiralnej. Kiedy więc teleskop Keplera rozpoczął poszukiwania planet w 2009 roku, naukowcy spodziewali się znaleźć układy planetarne, które przypominałyby nasz Układ Słoneczny.
Zamiast tego Kepler odkrył typy planet, których brakuje w naszym Układzie Słonecznym. Okazało się, że egzoplanet jest o wiele więcej, niż myśleliśmy: od „gorących Jowiszów” (planet wielkości Jowisza) po „superziemi” (masywne, stałe planety, które są większe od naszych). Spośród 1019 potwierdzonych planet i 4178 kandydatów odkrytych do tej pory tylko jeden układ przypomina nasz własny: z planetami ziemskimi w pobliżu gwiazdy i planetami olbrzymami nieco dalej.
„Nie mamy pojęcia, dlaczego nasz Układ Słoneczny jest inny i chcielibyśmy uzyskać odpowiedź” - powiedział magazynowi Astrobiology planetolog Kevin Walsh z Southwest Research Institute w Kolorado.
Próbując porównać Słońce i jego planety z nowo odkrytymi układami gwiazdowymi odkrytymi przez Keplera, dwaj astronomowie zasugerowali, że jako młody człowiek nasz Układ Słoneczny mógł zawierać aż cztery planety krążące bliżej Słońca niż Wenus, a po serii katastrofalnych zderzeń przeżył tylko Merkury. …
„Jednym z problemów naszego Układu Słonecznego jest to, że według standardów Keplera Merkury jest zbyt daleko od Słońca” - powiedziała planetolog Katrin Volk z University of British Columbia.
Wolf i jej kolega Brett Gladman z tego samego uniwersytetu zasugerowali, że na początku życia większość gwiazd jest otoczona przez „układy ciasno upakowanych planet wewnętrznych” (STIP). Z biegiem czasu zderzenia niszczą wiele z tych planet, pozostawiając je blisko 5-10% gwiazd obserwowanych dzisiaj.
Ale chociaż tylko kilka z obserwowanych układów zawiera STIP, Wolf uważa, że kiedyś przeważały - a Słońce może być jednym z takich układów, którego pierwotne planety wewnętrzne zostały zniszczone.
„Gdyby STIP uformował się łatwo, można by było je znaleźć wokół wszystkich gwiazd, po czym 90% z nich uległo zniszczeniu” - mówi Wolf.
Film promocyjny:
Walsh nie był zaangażowany w te badania, ale z zadowoleniem przyjmuje pracę Wolfa polegającą na dopasowywaniu układu słonecznego do innych układów planetarnych poprzez wykorzystanie modeli do poszukiwania niewidzialnych planet, które mogły istnieć w przeszłości.
„Można powiedzieć, że nigdy wcześniej o tym nie myśleliśmy. Zawsze staraliśmy się dopasować planety, które widzieliśmy, ale nie te, których nie widzieliśmy. Teraz widzimy to wokół innych gwiazd, więc to dobre pytanie”.
Wolf i Gladman zdali sobie sprawę, że niewielka liczba STIP może rzucić światło na to, dlaczego nasz Układ Słoneczny jest tak inny. Para naukowców wzięła 13 systemów obserwowanych przez Keplera, które zawierają więcej niż cztery planety wewnętrzne i przeprowadziła ich symulację trwającą 10 milionów lat. Dziesięć razy mniejsze planety doświadczyły gwałtownych kolizji, które zmieniły strukturę układu planetarnego. Według naukowców pozostałości prawdopodobnie pozostaną stabilne przez ponad 10 milionów lat.
Następnie zespół przeprowadził kolejną serię symulacji przez długi czas, aby zrozumieć, jak systemy ewoluowały, gdy stały się bardziej stabilne, i dowiedzieć się, jak kolizje były rozłożone w czasie. Okazało się, że połowa systemów zderzyła się, ale wcześniej nie wykazywała żadnych oznak katastrofy. Systemy kolizyjne pozostawały stabilne przez prawie całe życie, zanim planety zaczęły się ze sobą zderzać.
Modelowanie wykazało, że po 5 milionach lat około 5–10% STIP w próbce nadal nie osiągnęło stabilności. Ponieważ STIP były widoczne tylko w 5–10% układów planetarnych obserwowanych przez Keplera, może to oznaczać, że wszystkie narodziły się z STIP, ale 90% STIP zostało zniszczonych do czasu obserwacji Keplera.
„Gdyby każda gwiazda miała kiedyś system STIP, oznaczałoby to, że my (projektanci mody) po prostu nie osiągnęliśmy tego do czasu istnienia planet” - mówi Walsh. - Zawsze staraliśmy się budować modele, aby uzyskać nasze cztery stałe planety, ignorując możliwość powstania od trzech do pięciu planet jeszcze większej ilości Ziemi na orbicie Merkurego. Byłoby niesamowicie!.
Gdyby wszystko tak było, Ziemia przestałaby być dziwnym wyjątkiem od reguł powstawania planet, jak pokazują przypadkowe obserwacje. Zamiast tego pasowałby idealnie i nie wymagałby specjalnego wyjaśnienia jego istnienia. Jeśli Układ Słoneczny - a zatem i Ziemia są rzadkie, może to wpłynąć na rozpowszechnienie życia we wszechświecie; ale jeśli będzie postępować zgodnie ze zwykłymi procesami formowania się systemów planetarnych, nie będzie w tym nic niezwykłego.
Merkury od dawna stanowi problem dla planetologów. Oprócz tego, że Merkury jest dalej od Słońca niż większość planet widzianych przez Keplera, Merkury jest gęsto wypełniony ciężkimi pierwiastkami. Jedna z hipotez dotyczących jego dziwnego składu obejmuje zderzenie, które zmiotło lekką skorupę z planety i pozostawiło gęstą warstwę żelaza.
Jednocześnie modele Układu Słonecznego zwróciły zbyt dużo materiału, aby wyjaśnić sam Merkury. Aby uformować pojedynczą planetę krążącą wokół Merkurego, symulacje wymagają niezwykłej przerwy - sztucznej granicy - w pyle otaczającym młode Słońce, która rozciągałaby się prawie w połowie drogi do obecnej orbity Ziemi. Jeśli przerwa rozciągała się aż do gwiazdy, jak sądzi większość naukowców, dysk ten musiał zawierać zbyt dużo materiału.
Gdyby większość układów planetarnych zawierała STIP w momencie ich powstawania, młody Układ Słoneczny też mógłby mieć. Według Wolfa taki scenariusz wyeliminowałby potrzebę sztucznej przerwy w wewnętrznym dysku i wyjaśniłby planetę bogatą w żelazo. Zderzenia pozwoliłyby również na gęsty skład Merkurego.
Aby przetestować tę możliwość, Wolf i Gladman przeprowadzili symulacje, które dodały cztery planety o masach Księżyca i krążących mniej niż połowa odległości od Ziemi do Słońca. Planety te nie miałyby wpływu na formowanie się Wenus, Ziemi i Marsa przez 500 milionów lat, pomimo zderzeń, które miały miejsce między ich stałymi sąsiadami. Kepler doszedł do tego scenariusza podczas pierwszych symulacji.
„Często zdarza się, że mamy kilka niestabilnych planet, a pozostałe nic nie czują” - mówi Wolf.
Gdy zderzyły się ze sobą małe wewnętrzne planety, spotkały jedno z dwóch przeznaczeń. W niektórych przypadkach masa zderzających się planet została wystrzelona, a następnie skonsolidowana w kilka ciał. W innych, bardziej destrukcyjnych scenariuszach pozostało mniej niż 10% pierwotnej masy, a reszta eksplodowała na małe kawałki, kierując się spiralnie w kierunku gwiazdy lub innych planet. Różnica często zależy od tego, jak szybko planety się poruszają, zderzając się ze sobą; podobnie jak w przypadku zderzenia samochodu, duża prędkość prowadzi do wielkich zniszczeń.
Chociaż inne obserwacje Keplera dotyczące układów STIP wykazały, że trzy lub więcej dużych ciał zostało skonsolidowanych w jedną lub dwie krótkoterminowe planety, nasz Układ Słoneczny najwyraźniej uległ zniszczeniu do końca. Został nam tylko jeden ocalały.