Podľa veľkej manévrovacej hypotézy Jupiter raz prešiel slnečnou sústavou a svojou gravitáciou spôsobil chaos. Táto hypotéza nie je vedeckou komunitou stále úplne akceptovaná kvôli jej zložitosti, ale v poslednom čase sa v jej prospech objavili nové dôkazy.
Astronómovia pod vedením Reného Hellera z McMaster University zverejnili zodpovedajúci predtlač na arXiv.org a samotný dokument už bol prijatý na publikovanie v Astronomy & Astrophysics. Aby sme lepšie pochopili, prečo vedci takúto hypotézu potrebujú, musíme sa najprv zaoberať niekoľkými dôležitými otázkami.
Nezvyčajný systém
Až donedávna štruktúra slnečnej sústavy neprinášala žiadne otázky: jednoducho nebolo nič, s čím by bolo možné ju porovnávať. Je pravda, že existujúce modely tvorby planét z protoplanetárneho oblaku neposkytovali obraz, ktorý astronómovia pozorujú v praxi, ale to sa pripisovalo nedokonalosti samotných modelov. Prvé objavy exoplanet v 90. rokoch minulého storočia situáciu nijako zvlášť neovplyvnili: vzorka bola malá, málo exoplaniet.
V roku 2009 bol uvedený do prevádzky Keplerov ďalekohľad, ktorého hlavným účelom bolo presne hľadanie exoplanet. Od roku 2015 NASA zaregistrovala viac ako 4 000 kandidátskych planét videných kozmickou loďou. A po prvých tisícoch z nich sa ukázalo, že náš hviezdny systém je veľmi vzdialený od typických.
Po prvé, máme štyri planéty s veľkosťou Zeme alebo menej, a nie jediné superzeme - telá s polomerom 1,25 - 2,00-krát Zeme. Zároveň sú v hviezdnych systémoch skúmaných našimi ďalekohľadmi jeden a polkrát väčšie než zemské planéty ako tzv. „Planéty Zemskej veľkosti“.
Väčšina z 800 "pozemských planét" (vľavo) má v skutočnosti polomer o niečo väčší ako naša planéta, a čo sa týka hmotnosti, prekračuje 1,5 až 17 krát; Zem, Venuša, Mars a Ortuť sú výrazne ľahšie ako typické pevné planéty iných systémov
Propagačné video:
Citáty tu nie sú náhodné: táto trieda zahŕňa všetky telá s polomerom menším ako 1,25 Zeme. Ale väčšina z nich je väčšia ako naša planéta a podstatne ťažšia ako táto planéta (napríklad Kepler-10c je 17-krát hmotnejší ako Zem). Pochopilo sa, že vývoj planétového systému okolo Slnka prebiehal iným spôsobom ako v exoplanetárnych systémoch so super-zemami.
Po druhé, vo väčšine súčasných známych systémov sú plynové giganty oveľa bližšie k hlavnej hviezde ako naše Jupiter a Saturn. Niekedy ešte bližšie k ortuti. Na takomto mieste nemohli vzniknúť obri - žiarenie hviezdy by jednoducho zabránilo planétam, aby sa formovali. To znamená, vedci dospeli k záveru, že giganti sú tvorení ďaleko od hviezdy, potom ich však spomaľuje látka zostávajúca z protoplanetárneho disku, ktorí sa pohybujú bližšie na obežnej dráhe.
V našom systéme však malo spomalenie, ak sa vyskytlo, úplne iné dôsledky - obrovské planéty sa stále nachádzajú dosť ďaleko od Slnka.
Čas na migráciu
A v roku 2010 skupina Kevina Walsha predložila hypotézu, ktorá vysvetľovala tak neprítomnosť super-zemín v slnečnej sústave, ako aj relatívnu odľahlosť gigantov plynu pri tej istej udalosti - tzv. Hypotézu Grand Tack.
Podľa Walsha, keď bola slnečná sústava stará od 1 do 10 miliónov rokov a ešte sa nevytvorili pozemské planéty, Jupiter migroval z obežnej dráhy 3,5 astronomických jednotiek (približne 525 miliónov kilometrov od Slnka, jedna astronomická jednotka sa rovná priemernej vzdialenosti od Zeme k Slnku). na obežnú dráhu 1,5 astronomických jednotiek, kde je teraz Mars. Tam sa obrovská planéta zastavila, pravdepodobne v dôsledku gravitácie Saturn, ktorý migroval po Jupiterovi na obežnú dráhu 2 astronomické jednotky od Slnka. Obr sa potom začal pomaly vracať späť, až kým sa nevrátil na svoju súčasnú obežnú dráhu 5 astronomických jednotiek.
Keby to nebolo pre migráciu Jupitera a Saturna, ktorý je ním odnášaný, na Slnko a späť, vnútorná oblasť Slnečnej sústavy (hore) by teraz vyzerala takto (dole).
Veľká hypotéza manévrovania vhodne vysvetlila veľa veľmi nezvyčajných vlastností slnečnej sústavy. Počas cesty na Slnko a späť musel Jupiter vyčistiť miesto vzniku pozemských planét z „extra“masy plynu a prachu, čím ich zbavil možnosti stať sa superzeme. Súčasne boli miesta, kde sa formoval Mars a asteroidný pás, najviac ovplyvnené gravitáciou obrovskej planéty, čo viedlo k ich neobvykle malej (a z hľadiska vývoja slnečnej sústavy) také hmoty.
Ale z hľadiska príťažlivosti hypotézy to vyzerá dosť komplikovane, a preto mnohí astronómovia stále pochybujú o jej správnosti. V novej práci sa Rene Eller a spoluautori rozhodli vyskúšať, aký vplyv môže mať Veľké manévrovanie na mesiace Jupitera. Ich myšlienka je jednoduchá: je potrebné simulovať vývoj slnečnej sústavy s manévrovaním a bez manévrovania a potom porovnať výsledky. Ak je simulácia s manévrovaním skôr pravdou, znamená to, že nová práca bude ďalším dôkazom hypotézy. Ak by to nebolo manévrovanie, tak by to malo byť - znamená to, že hypotéza migrujúceho Jupitera je príliš exotická.
Najväčší záujem o tieto simulácie sú Ganymede a Callisto, dva veľké satelity Jupitera, polovica vody a polovica pevnej látky. Faktom je, že ak je hypotéza manévrovania správna, potom by sa obe tieto telá mali vytvoriť pred samotným samotným manévrovaním: objekty s takým pomerom vodného ľadu sa neobjavujú na miestach, ktoré sú bližšie k určitej vzdialenosti od Slnka. Podľa výpočtov autorov, s prihliadnutím na vplyv najmladšieho Jupitera a jeho obehového obehu, Callisto a Ganymede nemohli zo Slnka vzniknúť bližšie ako 4 astronomické jednotky.
Titan (v ľavom dolnom rohu) nie je ďaleko od Mesiaca čo do veľkosti a gravitácie, ale tam, kde sa vytvorilo, bolo viac svetelných prvkov, preto relatívne malý satelit má štvornásobne hustejšiu atmosféru ako Zem.
Aké stopy by mohol veľký Tacking zanechať na satelitoch? Je to všetko o atmosfére. Autori diela vychádzali z predpokladu, že atmosféra saturnského mesiaca Titan a dnes atmosférický Jupiterián Callisto a Ganymede boli spočiatku podobné, ako aj ich masy a zóny formovania.
Odhady súčasných modelov zároveň hovoria, že Titanovu atmosféru, ktorá je štyrikrát hustejšia ako zemská, je možné gravitačne stratiť najskôr v septembri. Aj keď v prípade satelitov Jupitera je toto číslo niekoľkokrát znížené, takúto atmosféru jednoducho nemohli stratiť počas života slnečnej sústavy. Vedci preto navrhli, že zohrievanie satelitov spôsobené prílivovými silami gravitácie plynového obra zohrávalo pri strate atmosféry kľúčovú úlohu.
Zároveň modelovanie bez riešenia ukázalo, že napriek silnému gravitačnému poľu mohol Jupiter zabezpečiť zahrievanie a stratu plynovej obálky iba v satelitoch blízko tejto planéty, ako sú Io a Europa. Ganymede a Callisto by však boli za „snehovou líniou“primárneho disku blízko Jupiteriánu a nemohli by sa vďaka vykurovaniu stratiť atmosféru.
Callisto je zjavne bohatý na svetelné prvky (ako je Titan) a dokonca má oceán pod ľadom, ale nemá výraznú atmosféru.
Keď autori diela predstavili do svojho modelovania účinky veľkého manévrovania, „umiestnili“Jupiter s diskom na 1,5 AU. od Slnka, kde by dostalo asi desaťkrát viac slnečného žiarenia, sa situácia zmenila.
Podľa moderných údajov slnko v prvých miliónoch rokov svojho života vyžarovalo 100 až 10 000-krát viac röntgenových lúčov a ultrafialového žiarenia, ako v súčasnosti vyžaruje. Telo s dusíkovou atmosférou, ako je napríklad súčasná Zem alebo Titan, v takých podmienkach nevyhnutne stratilo svoju plynovú obálku. Faktom je, že energia fotónov takéhoto žiarenia je oveľa vyššia ako energia viditeľného svetla a po absorpcii ich museli dusíkové častice rýchlo získať rýchlosť niekoľko kilometrov za sekundu a opustiť atmosféru. Podľa výpočtov autorov by za týchto podmienok došlo k strate primárnej dusíkovej atmosféry Zeme už za niekoľko miliónov rokov. A telá ako Ganymede a Callisto na obežnej dráhe 1,5 AU. mali stratiť svoju atmosféru ešte rýchlejšie.
Tento záver priaznivo odlišuje model Veľkého manévrovania od predpokladu, že planétové obežné dráhy zostávajú nezmenené. V ich rámci je veľmi ťažké si predstaviť, ako presne môžu Jupiterove satelity stratiť svoju atmosféru bez toho, aby pri tom stratili ľad.
Titan má svoju vlastnú atmosféru
Aby vysvetlil, prečo za týchto podmienok Titan nestratil svoju atmosféru spolu so Saturnom v 2 AU. od Slnka, autori vychádzali z údajov z modelovania primárneho cirkumplanetárneho disku Saturn. Podľa nej sa Titan ako satelit nemohol vytvoriť pred Veľkým manévrovaním. Planéty Slnka, tak ako to vidíme v exoplanetárnych systémoch, boli tvorené rôznymi rýchlosťami, a keď najmasívnejší (Jupiter) tento proces už dokončil, Saturn ešte „nezískal“asi 10 percent svojej hmotnosti. To znamená, že v čase veľkého manévrovania stále aktívne absorbovala hmotu z jej obehového obehu. Za takýchto podmienok by Titan, ak v tom čase existoval, určite spadol na Saturn. Eller preto dospel k záveru, že Titan sa v skutočnosti mohol vytvoriť len niekoľko stotisíc rokov po dokončení manévrovania.
Ako mala Zem v týchto podmienkach dusíkovú atmosféru? Autori poukazujú na to, že podľa mnohých ďalších prác v primárnej atmosfére Zeme s výraznou gravitáciou bolo veľa oxidu uhličitého, ktorý interaguje s energetickými fotónmi úplne iným spôsobom, a po ich absorbovaní by mohol účinne znovu vyžarovať prijatú energiu do vesmíru a ochladiť horné vrstvy zemskej atmosféry. …
Astronómovia dospeli k záveru, že v súčasnej konfigurácii slnečnej sústavy je takmer nemožné navrhnúť ďalší scenár, v ktorom niektoré satelity obrovských planét majú atmosféru štyrikrát hustejšiu ako Zem, zatiaľ čo iné ju vôbec nemajú. V rámci veľkej manévrovacej hypotézy je však možné súčasný vzhľad mesiacov Jupitera a Saturna vysvetliť oveľa úspešnejšie, ako keby sme predpokladali, že obe tieto planéty nikdy nepristúpili k Slnku a späť.
A zároveň má hypotéza veľa nevyriešených problémov. Kľúčovým je stále to, že je veľmi ťažké ho úplne overiť. Za posledných 4,5 miliardy rokov sa v našom systéme zmenilo príliš veľa a mnohé dôležité faktory, ktoré ovplyvnili počiatočné obdobie jeho histórie, je možné obnoviť iba nepriamo. Nejde iba o rýchlosť migračných procesov, ktoré silne záviseli od nie celkom jasnej hustoty starovekého obehového protoplanetárneho mraku. Niekoľko modelov nás núti predpokladať, že počas tých čias migrácie mohli plynoví giganti gravitačnou interakciou vytlačiť jednu alebo dve veľké planéty zo slnečnej sústavy, av tomto prípade telá, ktoré pozorujeme, nemusia poskytnúť úplne vyčerpávajúce informácie o minulých udalostiach. Na úplnejšie potvrdenie hypotézy sú potrebné kompletnejšie pozorovacie údaje o tom istom Ganymedovi a Callisto, ktoré Ellerova skupina dúfa, že dostane od európskeho kozmického plavidla JUpiter ICy mesačný prieskumník (JUICE), ktorý má cestovať do mesiacov Jupitera v rokoch 2022 - 2030.
Boris Alexandrov