Remiantis Didžiojo manevravimo hipoteze, Jupiteris kadaise keliavo per Saulės sistemą, darydamas sumaištį dėl savo sunkio jėgos. Ši hipotezė vis dar nėra visiškai priimtina mokslo bendruomenės dėl jos sudėtingumo, tačiau visai neseniai jos naudai pasirodė naujų įrodymų.
Astronomai, vadovaujami René Heller iš McMaster universiteto, paskelbė atitinkamą išankstinį spausdinimą arXiv.org, o pats popierius jau buvo priimtas publikuoti žurnale Astronomy & Astrophysics. Norint geriau suprasti, kodėl mokslininkams reikia tokios hipotezės, pirmiausia reikia išspręsti kelis svarbius klausimus.
- „Salik.biz“
Neįprasta sistema
Dar visai neseniai Saulės sistemos struktūra nekėlė jokių klausimų: tiesiog nebuvo su kuo palyginti. Tiesa, esami planetų formavimo iš protoplanetinio debesies modeliai nedavė tokio vaizdo, kokį stebi astronomai praktikoje, tačiau tai buvo priskirta pačių modelių netobulumui. Pirmieji praeito amžiaus devintojo dešimtmečio egzoplanetų atradimai nepadarė ypatingos įtakos situacijai: imtis buvo nedidelė, egzoplanetų buvo nedaug.
2009 m. Buvo pradėtas eksploatuoti Keplerio teleskopas, kurio pagrindinis tikslas buvo būtent egzoplanetų paieška. Nuo 2015 m. NASA užregistravo daugiau nei 4 tūkstančius planetos kandidatų, kuriuos matė erdvėlaivis. Ir po pirmojo tūkstančio jų tapo aišku, kad mūsų žvaigždžių sistema yra labai toli nuo būdingos.
Pirma, mes turime keturias Žemės dydžio planetas arba mažesnes, o ne vieną super žemę - kūnus, kurių spindulys 1,25–2,00 karto viršija Žemę. Tuo pačiu metu žvaigždžių sistemose, kurias ištyrė mūsų teleskopai, superžemių, atvirkščiai, yra pusantro karto daugiau nei vadinamųjų „Žemės dydžio planetų“.
Daugelio iš 800 „sausumos planetų“(kairėje) spindulys yra šiek tiek didesnis nei mūsų planetos, o masė viršija 1,5–17 kartų; Žemė, Venera, Marsas ir Merkurijus yra žymiai lengvesni nei tipiškos kietos kitų sistemų planetos
Reklaminis vaizdo įrašas:
Citatos čia nėra atsitiktinės: į šią klasę įeina visi kūnai, kurių žemės spindulys mažesnis nei 1,25. Tačiau dauguma jų yra didesni už mūsų planetą ir žymiai sunkesni už ją (pavyzdžiui, „Kepler-10c“yra 17 kartų masyvesnis už Žemę). Buvo supratimas, kad planetos sistemos aplink Saulę vystymasis vyko kitaip, nei egzoplanetinėse sistemose su superžemėmis.
Antra, daugelyje šiuo metu žinomų sistemų dujų milžinai yra daug arčiau centrinės žvaigždės nei mūsų Jupiteris ir Saturnas. Kartais net arčiau Merkurijaus. Milžinai negalėjo iškilti tokioje vietoje - žvaigždės spinduliuotė tiesiog užkirstų kelią planetų susidarymui. Tai reiškia, mokslininkai padarė išvadą, kad milžinai susiformuoja toli nuo žvaigždės, tačiau tada juos lėtina medžiaga, likusi iš protoplanetinio disko, judama į orbitas arčiau.
Tačiau mūsų sistemoje lėtėjimas, jei toks būtų, turėjo visiškai kitokių padarinių - milžiniškos planetos vis dar yra gana toli nuo Saulės.
Laikas migruoti
Ir 2010 m. Kevino Walsho grupė iškėlė hipotezę, paaiškinančią tiek superžemių nebuvimą Saulės sistemoje, tiek santykinį dujų milžinų nutolimą nuo to paties įvykio - vadinamąją „Grand Tack“hipotezę.
Pasak Walsho, kai Saulės sistemai buvo nuo 1 iki 10 milijonų metų ir antžeminės planetos dar nebuvo susiformavusios, Jupiteris migravo iš 3,5 astronominių vienetų orbitos (maždaug 525 milijonai kilometrų nuo Saulės, vienas astronominis vienetas yra lygus vidutiniam atstumui nuo Žemės iki Saulės). į 1,5 astronominių vienetų orbitą, kur dabar yra Marsas. Ten milžiniškoji planeta sustojo, greičiausiai dėl Saturno, kuris po Jupiterio migravo į Saulės orbitą 2 astronominių vienetų, sunkio jėgos. Tada milžinas pradėjo lėtai judėti atgal, kol grįžo į savo dabartinę 5 astronominių vienetų orbitą.
Jei ne Jupiterio ir Saturno, kuris jį nuneša, migracija į Saulę ir atgal, vidinis Saulės sistemos regionas (aukščiau) atrodytų taip dabar (žemiau).
Didžiojo manevravimo hipotezė taikliai paaiškino daugelį neįprastų saulės sistemos ypatybių. Jupiteris, keliaudamas į Saulę ir atgal, turėjo išvalyti sausumos planetų susidarymo vietą iš „papildomos“dujų ir dulkių masės, atimdamas jiems galimybę tapti superžemėmis. Tuo pačiu metu Marso ir asteroido juostos susidarymo vietas labiausiai paveikė milžiniškos planetos sunkumas, kuris sukėlė jų neįprastai mažą (ir tai Saulės sistemos evoliucijos požiūriu tokią) masę.
Tačiau dėl visos hipotezės patrauklumo ji atrodo gana sudėtinga, todėl daugelis astronomų vis dar abejoja jos teisingumu. Naujajame darbe Rene Eller ir bendraautoriai nusprendė išbandyti, kokį poveikį Didysis manevras gali turėti Jupiterio mėnuliams. Jų idėja paprasta: būtina imituoti saulės sistemos vystymąsi manevruojant ir ne manevruojant, o tada palyginti rezultatus. Jei modeliavimas su manevravimu labiau primena tiesą, tai reiškia, kad naujas darbas bus dar vienas hipotezės įrodymas. Jei ne manevruoti, tada taip ir būti - tai reiškia, kad migruojančio Jupiterio hipotezė yra per daug egzotiška.
Didžiausią susidomėjimą tokiais modeliavimais kelia Ganymede ir Callisto, du dideli Jupiterio palydovai, pusė vandens ir pusiau kieti. Faktas yra tas, kad jei manevravimo hipotezė yra teisinga, tada abu šie kūnai turėjo susiformuoti prieš patį manevravimą: objektai, turintys tokią vandens ledo dalį, neatsiranda vietose, esančiose arčiau tam tikro atstumo nuo Saulės. Remiantis autorių skaičiavimais, atsižvelgiant į jauniausio Jupiterio ir jo aplinkinės planetos disko įtaką, Callisto ir Ganymede galėjo kilti ne arčiau kaip 4 astronominiai vienetai nuo Saulės.
Titanas (apatiniame kairiajame kampe) nėra toli nuo Mėnulio dydžio ir sunkio jėgos, tačiau ten, kur jis susiformavo, buvo daugiau šviesos elementų, todėl santykinai mažame palydove azoto atmosfera yra keturis kartus tankesnė nei Žemėje.
Kokius pėdsakus galėtų palikti didysis Tackingas iš palydovų? Viskas priklauso nuo atmosferos. Kūrinio autoriai rėmėsi prielaida, kad Saturno mėnulio Titano, o dabar atmosferos Jupiterio Callisto ir Ganymede atmosfera iš pradžių buvo panašios, taip pat jų masės ir formavimosi zonos.
Tuo pačiu metu, remiantis esamų modelių vertinimais, Titano atmosfera, kuri yra keturis kartus tankesnė už Žemės, gali būti prarasta gravitacijos būdu ne anksčiau kaip per septyniasdešimt metų. Net jei Jupiterio palydovams šis skaičius sumažėja kelis kartus, tokios atmosferos jie negalėjo prarasti per Saulės sistemos gyvavimo laiką. Todėl mokslininkai pasiūlė, kad prarandant atmosferą pagrindinis vaidmuo buvo palydovų įkaitimas, kurį sukėlė dujų milžino potvynio potvynio jėgos.
Tuo pat metu modeliavimas be klijavimo parodė, kad, nepaisant galingo gravitacinio lauko, Jupiteris galėjo šildyti ir prarasti dujų apvalkalą tik palydovuose, esančiuose netoli šios planetos, pavyzdžiui, „Io“ir „Europa“. Bet Ganimedas ir Callisto būtų už pirminio beveik Jupiterio disko „sniego linijos“ir dėl šildymo nebūtų praradę atmosferos.
Matyt, Callisto yra gausu lengvųjų elementų (tokių kaip Titanas) ir netgi turi povandeninį vandenyną, tačiau jame nėra reikšmingos atmosferos.
Kai darbo autoriai į savo modeliavimą įtraukė Didžiojo manevravimo padarinius, „padėkite“Jupiterį savo disku 1,5 AU. nuo Saulės, kur ji gautų apie dešimt kartų daugiau saulės radiacijos, padėtis pasikeitė.
Remiantis šiuolaikiniais duomenimis, per pirmuosius milijonus savo gyvenimo metų Saulė spinduliavo nuo 100 iki 10 000 kartų daugiau rentgeno ir ultravioletinių spindulių, nei skleidžia dabar. Kūnas su azoto atmosfera, toks kaip dabartinė Žemė ar Titanas, tokiomis sąlygomis neišvengiamai prarado savo dujų apvalkalą. Faktas yra tas, kad tokios radiacijos fotonų energija yra daug didesnė nei matomos šviesos, ir, absorbavę juos, azoto dalelės turėjo greitai įgyti kelių kilometrų per sekundę greitį ir palikti atmosferą. Autorių skaičiavimais, tokiomis sąlygomis pirminė Žemės azoto atmosfera būtų prarasta vos per kelis milijonus metų. Ir tokie kūnai kaip Ganymede ir Callisto, kurių orbita siekia 1,5 AU. turėjo prarasti savo atmosferą dar greičiau.
Ši išvada palankiai atskiria Didžiojo manevravimo modelį nuo prielaidos, kad planetų orbitos nesikeičia. Pastarojo rėmuose labai sunku įsivaizduoti, kaip tiksliai Jupiterio palydovai galėjo prarasti savo atmosferą neprarasdami vandens ledo pakeliui.
Titanas turi savo atmosferą
Paaiškinti, kodėl tokiomis sąlygomis „Titan“neprarado savo atmosferos kartu su Saturnu 2 AU. iš Saulės, autoriai rėmėsi duomenimis, modeliuodami pirminį Saturno žiedinį planetinį diską. Pagal ją „Titan“kaip palydovas negalėjo susiformuoti prieš Didįjį manevrą. Saulės planetos, kaip mes matome egzoplanetinėse sistemose, buvo suformuotos skirtingais tempais, ir kai masiškiausios (Jupiteris) šį procesą jau buvo baigusios, Saturnas dar nebuvo „priaugęs“apie 10 procentų savo masės. Tai reiškia, kad iki Didžiojo manevravimo metu jis vis dar aktyviai absorbavo medžiagą iš savo tarpplanetinio disko. Tokiomis sąlygomis Titanas, jei jis egzistuotų tą akimirką, tikrai nukristų iki Saturno. Todėl Elleras daro išvadą, kad iš tikrųjų Titanas galėjo susiformuoti tik po kelių šimtų tūkstančių metų po manevravimo pabaigos.
Kaip Žemė tokiomis sąlygomis turėjo azoto atmosferą? Autoriai pabrėžia, kad, remiantis daugybe kitų darbų, pirminėje Žemės atmosferoje, kuriai būdinga reikšminga gravitacija, buvo daug anglies dioksido, kuris visiškai kitaip sąveikauja su energetiniais fotonais, o juos absorbavęs galėtų efektyviai pakartotinai išgauti gautą energiją į kosmosą, atvėsindamas viršutinius tuometinės žemės atmosferos sluoksnius. …
Astronomai daro išvadą, kad esant dabartinei Saulės sistemos konfigūracijai, beveik neįmanoma pasiūlyti kito scenarijaus, pagal kurį kai kurių milžiniškų planetų palydovų atmosfera būtų keturis kartus tankesnė nei Žemės, o kitų visai nėra. Tačiau pagal Didžiosios manevravimo hipotezę dabartinis Jupiterio ir Saturno palydovų pasirodymas gali būti paaiškinamas daug sėkmingiau, nei jei manytume, kad abi šios planetos niekada migravo į Saulę ir atgal.
Ir tuo pat metu hipotezė turi daug neišspręstų problemų. Svarbiausia yra tai, kad visiškai sunku jį visiškai patikrinti. Per pastaruosius 4,5 milijardo metų mūsų sistemoje pasikeitė per daug ir daugelį svarbių veiksnių, kurie turėjo įtakos ankstyvajam jos istorijos laikotarpiui, galima atkurti tik netiesiogiai. Kalbama ne tik apie migracijos procesų greitį, kuris stipriai priklausė nuo ne iki galo skaidraus senovės apskrito protoplanetinio debesies tankio. Daugybė modelių verčia manyti, kad to meto migracijos metu dujų milžinai galėjo iš gravitacinės sąveikos išstumti vieną ar dvi dideles planetas iš Saulės sistemos, ir šiuo atveju mūsų stebimi kūnai gali nesuteikti visiškai išsami informacijos apie praeities įvykius. Norint išsamesnės hipotezės patvirtinimo, reikia išsamesnių stebėjimo duomenų apie tą patį Ganymede ir Callisto, kuriuos Ellero grupė tikisi gauti iš Europos erdvėlaivio JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), kuris turi keliauti į Jupiterio mėnulius 2022-2030 metais.
Borisas Aleksandrovas