Glede na veliko manevrsko hipotezo je Jupiter nekoč potoval po osončju in se s svojo težo prebudil. Ta hipoteza znanstvena skupnost zaradi svoje zapletenosti še vedno ni povsem sprejeta, v zadnjem času pa so se v njeno korist pojavili novi dokazi.
Astronomi pod vodstvom Renéja Hellerja z univerze McMaster so na arXiv.org objavili ustrezen predtisk, sam prispevek pa je bil že sprejet za objavo v Astronomy & Astrophysics. Da bi lažje razumeli, zakaj znanstveniki potrebujejo takšno hipotezo, je treba obravnavati več pomembnih vprašanj, ki jih je treba najprej obravnavati.
Nenavaden sistem
Do nedavnega struktura osončja ni postavljala nobenih vprašanj: preprosto ni bilo ničesar, kar bi ga primerjalo. Res je, da obstoječi modeli oblikovanja planetov iz protoplanetarnega oblaka niso dali slike, ki jo astronomi opažajo v praksi, ampak so to pripisali nepopolnosti samih modelov. Prva odkritja eksoplanetov v 90. letih prejšnjega stoletja niso posebej vplivala na položaj: vzorec je bil majhen, eksoplanetov je bilo malo.
Leta 2009 je začel delovati teleskop Kepler, katerega glavni namen je bilo ravno iskanje eksoplanetov. NASA je od leta 2015 registrirala več kot 4 tisoč planetov kandidatk, ki jih vidi vesoljsko plovilo. In že po prvih tisoč njih je postalo jasno, da je naš zvezdni sistem zelo daleč od tipičnega.
Prvič, imamo štiri planete velikosti Zemlje ali manj in niti enega super-Zemlje - telesa s polmerom 1,25-2,00 krat večja od Zemlje. Hkrati so v zvezdnih sistemih, ki jih pregledujejo naši teleskopi, superzemlje, nasprotno, poldrugo krat večje od tako imenovanih "planetov velikosti Zemlje".
Večina od 800 "zemeljskih planetov" (levo) ima dejansko polmer nekoliko večji od našega planeta in ga v masi presega od 1,5 do 17-krat; Zemlja, Venera, Mars in Živo srebro so bistveno lažje kot tipični trdni planeti drugih sistemov
Promocijski video:
Navedbe tukaj niso naključne: v ta razred so vključena vsa telesa s polmerom manj kot 1,25 Zemlje. Toda večina je večjih od našega planeta in bistveno težja od njega (na primer Kepler-10c je 17-krat bolj masiven od Zemlje). Obstajalo je razumevanje, da je razvoj planetarnega sistema okoli Sonca šel drugače kot v eksoplanetarnih sistemih s super-zemljo.
Drugič, v večini trenutno znanih sistemov so plinski velikani veliko bližje osrednji zvezdi kot naš Jupiter in Saturn. Včasih celo bližje Merkurju. Gianti na takem mestu ne bi mogli nastati - sevanje zvezde bi preprosto preprečilo, da bi se planeti oblikovali. To pomeni, da so znanstveniki zaključili, da se velikani oblikujejo daleč od zvezde, potem pa jih upočasni snov, ki ostane iz protoplanetarnega diska, in se premika v bližje orbite.
V našem sistemu pa bi bilo upočasnjevanje, če je prišlo, povsem drugačne posledice - velikanski planeti se še vedno nahajajo precej daleč od Sonca.
Čas za selitev
In leta 2010 je skupina Kevina Walsha predstavila hipotezo, ki je razložila tako odsotnost superzemljev v osončju kot tudi relativno oddaljenost plinskih velikanov z istim dogodkom - tako imenovano hipotezo Grand Tack.
Po Walshovem mnenju je bil Jupiter, ko je bilo sončno telo staro od 1 do 10 milijonov let in kopenski planeti še niso oblikovali, iz orbite 3,5 astronomskih enot (približno 525 milijonov kilometrov od Sonca, ena astronomska enota je enaka povprečni razdalji Zemlje do Sonca) v orbito 1,5 astronomskih enot, kjer je zdaj Mars. Tam se je velikanski planet ustavil, verjetno zaradi gravitacije Saturna, ki se je po Jupitru preselila v orbito 2 astronomskih enot s Sonca. Velikan se je nato začel počasi premikati nazaj, dokler se ni vrnil na svojo trenutno orbito 5 astronomskih enot.
Če ne bi bilo selitve Jupitra in Saturna, ki ga odnese, k Soncu in nazaj, bi notranja regija Osončja (zgoraj) izgledala takole (spodaj).
Velika manevrska hipoteza je nazorno razložila številne zelo nenavadne lastnosti sončnega sistema. Jupiter je moral med potovanjem proti Soncu in nazaj očistiti kraj nastanka kopenskih planetov iz "dodatne" mase plina in prahu, s čimer jim je bil odvzet možnost, da postanejo superzemlje. Hkrati je kraje, kjer sta oblikovala Mars in asteroidni pas, najbolj prizadela gravitacija velikanskega planeta, kar je privedlo do njihove nenormalno majhne (in to je z vidika razvoja sončnega sistema takšna) masa.
Toda pri vsej privlačnosti hipoteze izgleda precej zapleteno, zato mnogi astronomi še vedno dvomijo o njeni pravilnosti. V novem delu so se Rene Eller in soavtorji odločili preizkusiti, kakšen učinek bi lahko imel Veliki manevri na lune Jupiter. Njihova ideja je preprosta: treba je simulirati razvoj sončnega sistema z manevriranjem in brez njega ter nato primerjati rezultate. Če je simulacija z manevriranjem bolj podobna resnici, to pomeni, da bo novo delo še en dokaz hipoteze. Če brez manevriranja, naj bo tako - pomeni, da je hipoteza migrirajočega Jupitra preveč eksotična.
Pri takšnih simulacijah sta najbolj zanimiva Ganymede in Callisto, dva velika satelita Jupiter, pol vode in pol trdna. Dejstvo je, da če bi bila manevrska hipoteza pravilna, bi se morala oba telesa oblikovati pred samim dejanskim manevriranjem: predmeti s takim deležem vodnega ledu se ne pojavijo na mestih, ki so bližje določeni razdalji od Sonca. Po izračunih avtorjev bi ob upoštevanju vpliva najmlajšega Jupitra in njegovega vesoljskega diska Callisto in Ganymede lahko nastala ne bližje kot 4 astronomske enote od Sonca.
Titan (v spodnjem levem kotu) ni daleč od Lune po velikosti in gravitaciji, kjer pa je nastala, je bilo več svetlobnih elementov, zato ima razmeroma majhen satelit dušikovo ozračje štirikrat gostejšo od Zemlje.
Kakšne sledi bi lahko velik Tacking pustil na satelitih? Vse je v ozračju. Avtorji dela so izhajali iz domneve, da sta bila atmosfera Saturnovega Luna Titana in zdaj atmosferska Jupiterjeva Callisto in Ganymede sprva podobna, prav tako njihove mase in območja tvorbe.
Obenem ocene obstoječih modelov pravijo, da se lahko Titanovo ozračje, ki je štirikrat gostejše od Zemljinega, izgubi z gravitacijo ne prej kot v septilijonskih letih. Četudi se za satelite Jupiter ta številka nekolikokrat zmanjša, takšnega ozračja preprosto ne bi mogli izgubiti med življenjsko dobo sončnega sistema. Zato so znanstveniki predlagali, da je segrevanje satelitov, ki jih povzročajo sile plimovanja gravitacijskega plina, igralo ključno vlogo pri izgubi ozračja.
Hkrati je modeliranje brez oprijemanja pokazalo, da lahko Jupiter kljub močnemu gravitacijskemu polju zagotavlja ogrevanje in izgubo plinske ovojnice le v satelitih blizu tega planeta, kot sta Io in Europa. Toda Ganymede in Callisto bi zaostajala za "snežno črto" primarnega blizu-Jupiterjevega diska in zaradi ogrevanja ne bi mogla izgubiti ozračja.
Očitno je Callisto bogat s svetlobnimi elementi (kot je Titan) in celo ima pod ledenim oceanom, vendar nima občutnega ozračja.
Ko so avtorji dela v svoje modeliranje predstavili učinke Velikega manevriranja, so Jupitra postavili s svojim diskom na 1,5 AU. od Sonca, kjer bi prejel približno desetkrat več sončnega sevanja, so se razmere spremenile.
Po sodobnih podatkih je Sonce v prvih milijonih let svojega življenja oddajalo od 100 do 10.000 krat več rentgenskih žarkov in ultravijoličnega sevanja, kot ga oddaja zdaj. Telo z dušikovo atmosfero, kakršna sta sedanja Zemlja ali Titan, je v takih razmerah neizogibno izgubilo plinsko ovojnico. Dejstvo je, da je energija fotonov takšnega sevanja veliko večja kot energija vidne svetlobe, zato so dušikovi delci hitro absorbirali hitrost nekaj kilometrov na sekundo in zapustili atmosfero. Po izračunih avtorjev bi se v takšnih razmerah primarna dušikova atmosfera Zemlje izgubila v samo nekaj milijonih let. In telesa, kot sta Ganymede in Callisto, v orbiti 1,5 AU. bi morali še hitreje izgubiti ozračje.
Ta sklep ugodno razlikuje model velikega manevriranja od predpostavke, da planetne orbite ostanejo nespremenjene. V okviru slednjega si je zelo težko predstavljati, kako natančno bi lahko Jupitrovi sateliti izgubili ozračje, ne da bi na poti izgubili vodni led.
Titan ima svoje vzdušje
Da bi razložil, zakaj pod temi pogoji Titan ni izgubil atmosfere, skupaj s Saturnom v 2 AU. s Sonca so avtorji črpali na podatke iz modeliranja primarnega krožnega planetovega diska Saturna. Po njem se Titan kot satelit ni mogel oblikovati pred velikim manevrom. Planeti Sonca, tako kot vidimo v eksoplanetarnih sistemih, so se oblikovali z različnimi stopnjami, in ko je najbolj množični (Jupiter) že končal ta postopek, Saturn še ni "pridobil" približno 10 odstotkov svoje mase. To pomeni, da je do velikega manevriranja še vedno aktivno absorbiral materijo iz svojega krožnega diska. V takšnih razmerah bi Titan, če bi v tistem trenutku obstajal, gotovo padel na Saturn. Zato Eller zaključuje, da bi se Titan v resnici lahko izoblikoval le nekaj sto tisoč let po zaključku manevriranja.
Kako je Zemlja imela atmosfero dušika v takih pogojih? Avtorja opozarjata, da je bilo po številnih drugih delih v primarni atmosferi Zemlje s svojo znatno gravitacijo veliko ogljikovega dioksida, ki z energičnimi fotoni deluje na povsem drugačen način in po absorpciji le-teh bi lahko učinkovito oddajal prejeto energijo v vesolje, hladijoč zgornje plasti takratne Zemljine atmosfere …
Astronomi sklepajo, da je v sedanji konfiguraciji osončja skoraj nemogoče predlagati drug scenarij, v katerem imajo nekateri sateliti velikanskih planetov atmosfero štirikrat gostejšo od Zemlje, drugi pa je sploh nimajo. Toda v okviru hipoteze o velikem manevriranju je mogoče sedanje pojavljanje lun Jupitra in Saturna razložiti veliko bolj uspešno, kot če predpostavimo, da oba planeta nikoli nista migrirala na Sonce in nazaj.
In hkrati ima hipoteza veliko nerešenih težav. Ključno je še vedno, da ga je izjemno težko popolnoma preveriti. V našem sistemu se je v zadnjih 4,5 milijarde let preveč spremenilo in veliko pomembnih dejavnikov, ki so vplivali na zgodnje obdobje njegove zgodovine, je mogoče obnoviti le posredno. Ne gre samo za hitrost migracijskih procesov, ki je bila močno odvisna od ne povsem jasne gostote starodavnega cirkolarnega protoplanetarnega oblaka. Številni modeli nas silijo v domnevo, da bi plinasti velikani lahko med gravitacijskim medsebojnim vplivom izstrelili enega ali dva velika planeta iz osončja in v tem primeru telesa, ki jih opazujemo, ne dajejo povsem izčrpnih informacij o preteklih dogodkih. Za popolnejšo potrditev hipoteze so potrebni popolnejši podatki o opazovanju za istega Ganymedeja in Callista, za katera Ellerjeva skupina upa, da bo prejela od evropskega vesoljskega plovila JUpiter ICy lun Explorer (JUICE), ki naj bi v letih 2022–2030 odpotoval na lune Jupiter.
Boris Alexandrov