Saskaņā ar Lielās manevrēšanas hipotēzi, reiz Jupiters devās cauri Saules sistēmai, izpostot tās smagumu. Zinātniskā sabiedrība joprojām nav pilnībā pieņēmusi šo hipotēzi tās sarežģītības dēļ, bet nesen tai parādījās jauni pierādījumi.
Astronomi, ko vadīja René Hellers no Makmastera universitātes, ir ievietojuši atbilstošu priekšspiedumu vietnē arXiv.org, un pats darbs jau ir pieņemts publicēšanai žurnālā Astronomy & Astrophysics. Lai labāk saprastu, kāpēc zinātniekiem ir nepieciešama šāda hipotēze, vispirms ir jāpievēršas vairākiem svarīgiem jautājumiem.
Neparasta sistēma
Vēl pavisam nesen Saules sistēmas uzbūve neradīja jautājumus: vienkārši nebija ar ko to salīdzināt. Tiesa, esošie planētu veidošanās modeļi no protoplanetārā mākoņa nesniedza to ainu, kādu astronomi novēro praktiski, bet tas tika attiecināts uz pašu modeļu nepilnību. Pirmie eksoplanetu atklājumi pagājušā gadsimta 90. gados situāciju īpaši neietekmēja: paraugs bija mazs, eksoplanetu bija maz.
2009. gadā tika nodots ekspluatācijā Keplera teleskops, kura galvenais mērķis bija tieši eksoplanetu meklēšana. Kopš 2015. gada NASA ir reģistrējusi vairāk nekā 4000 kandidātu planētu, kuras redzējis kosmosa kuģis. Un pēc pirmajiem tūkstošiem no viņiem kļuva skaidrs, ka mūsu zvaigžņu sistēma ir ļoti tālu no tipiskās.
Pirmkārt, mums ir četras planētas, kuru izmērs ir Zeme vai mazāks, un ne viena super Zeme - ķermeņi, kuru rādiuss ir 1,25–2,00 reizes lielāks nekā Zeme. Tajā pašā laikā mūsu teleskopu apskatītajās zvaigžņu sistēmās superzemes ir gluži pretēji pusotru reizi lielākas nekā tā dēvētās “Zemes lieluma planētas”.
Lielākajai daļai no 800 "zemes planētām" (pa kreisi) rādiuss ir nedaudz lielāks nekā mūsu planētai, un masa pārsniedz to no 1,5 līdz 17 reizēm; Zeme, Venera, Marss un dzīvsudrabs ir ievērojami vieglāki nekā citu sistēmu tipiskās cietās planētas
Reklāmas video:
Citāti šeit nav nejauši: šajā klasē ietilpst visi ķermeņi, kuru rādiuss ir mazāks par 1,25 Zemes. Bet vairums no tiem ir lielāki par mūsu planētu un ievērojami smagāki par to (piemēram, Kepler-10c ir 17 reizes masīvāks nekā Zeme). Bija izpratne, ka planētas sistēmas ap Sauli attīstība noris kaut kā savādāk, nekā eksoplanētu sistēmās ar superzemēm.
Otrkārt, lielākajā daļā šobrīd zināmo sistēmu gāzes giganti ir daudz tuvāk centrālajai zvaigznei nekā mūsu Jupiters un Saturns. Dažreiz pat tuvāk Merkuram. Milži šādā vietā nevarētu rasties - zvaigznes starojums vienkārši neļaus planētām veidoties. Tas nozīmē, ka zinātnieki secināja, ka milži veidojas tālu no zvaigznes, tomēr tad tos palēnina viela, kas paliek no protoplanetārā diska, pārvietojoties uz orbītām tuvāk.
Tomēr mūsu sistēmā palēninājumam, ja tāds būtu, bija pilnīgi atšķirīgas sekas - milzu planētas joprojām atrodas diezgan tālu no Saules.
Laiks migrēt
Un Kevina Valša grupa 2010. gadā izvirzīja hipotēzi, kas izskaidroja gan virszemes klātbūtni Saules sistēmā, gan gāzes gigantu relatīvo attālumu ar vienu un to pašu notikumu - tā saucamo Grand Tack hipotēzi.
Pēc Valša teiktā, kad Saules sistēma bija no 1 līdz 10 miljoniem gadu veca un sauszemes planētas vēl nebija izveidojušās, Jupiters migrēja no 3,5 astronomisko vienību orbītas (aptuveni 525 miljoni kilometru no Saules, viena astronomiskā vienība ir vienāda ar vidējo attālumu no Zemes līdz Saulei). uz 1,5 astronomisko vienību orbītu, kur tagad atrodas Marss. Tur milzu planēta apstājās, domājams, Saturna smaguma dēļ, kurš pēc Jupitera migrēja no Saules orbītas 2 astronomiskajām vienībām no Saules. Tad gigants sāka lēnām virzīties atpakaļ, līdz tas atgriezās pašreizējā 5 astronomisko vienību orbītā.
Ja tas nebūtu Jupitera un Saturna migrācijai, ko tas aiznes, uz Sauli un atpakaļ, tad Saules sistēmas iekšējais reģions (augšpusē) izskatās šādi (tagad).
Lielā manevrēšanas hipotēze trāpīgi izskaidroja daudzas ļoti neparastas Saules sistēmas iezīmes. Jupiteram brauciena laikā uz Sauli un atpakaļ vajadzēja attīrīt sauszemes planētu veidošanās vietu no "papildu" gāzes un putekļu masas, liedzot viņiem iespēju kļūt par superzemēm. Tajā pašā laikā vietas, kur veidojās Marss un asteroīdu josta, visvairāk ietekmēja milzu planētas smagums, kas noveda pie to neparasti mazās (un tā ir, no Saules sistēmas evolūcijas viedokļa, šāda) masas.
Bet attiecībā uz visu hipotēzes pievilcību tā izskatās diezgan sarežģīta, tāpēc daudzi astronomi joprojām apšauba tās pareizību. Jaunajā darbā Renē Ellere un līdzautori nolēma pārbaudīt, kāda ietekme Lielajai manevrēšanai varētu būt Jupitera pavadoņi. Viņu ideja ir vienkārša: ir nepieciešams simulēt Saules sistēmas attīstību ar manevrēšanu un bez tās, un pēc tam salīdzināt rezultātus. Ja simulācija ar manevrēšanu vairāk atgādina patiesību, tas nozīmē, ka jaunais darbs būs vēl viens hipotēzes pierādījums. Ja bez manevrēšanas, tad lai nu būtu - tas nozīmē, ka migrējošā Jupitera hipotēze ir pārāk eksotiska.
Vislielāko interesi par šādām simulācijām rada Ganimīds un Kallisto, divi lieli Jupitera pavadoņi, puse ūdens un puse cieta. Fakts ir tāds, ka, ja manevrēšanas hipotēze ir pareiza, tad abiem šiem ķermeņiem vajadzēja veidoties pirms pašas manevrēšanas: objekti ar šādu ūdens ledus proporciju neparādās vietās, kas ir tuvāk noteiktam attālumam no Saules. Pēc autoru aprēķiniem, ņemot vērā jaunākā Jupitera un tā apļveida planetārā diska ietekmi, Callisto un Ganymede varēja rasties ne tuvāk par 4 astronomiskām vienībām no Saules.
Titāns (apakšējā kreisajā stūrī) nav tālu no Mēness pēc izmēra un gravitācijas, bet tur, kur tas izveidojās, bija vairāk gaismas elementu, tāpēc salīdzinoši mazam satelītam slāpekļa atmosfēra ir četras reizes blīvāka nekā Zeme.
Kādas pēdas lielais Tacking varētu atstāt uz pavadoņiem? Tas viss ir saistīts ar atmosfēru. Darba autori balstījās uz pieņēmumu, ka Saturna mēness Titāna un tagad atmosfēras Jupiterian Callisto un Ganymede atmosfēra sākotnēji bija līdzīga, kā arī to masas un veidošanās zonas.
Tajā pašā laikā esošo modeļu aplēses vēsta, ka Titāna atmosfēru, kas ir četras reizes blīvāka par Zemes, gravitācija var zaudēt ne ātrāk kā septiņdesmit gadu laikā. Pat ja Jupitera pavadoņiem šis skaitlis tiek samazināts vairākas reizes, šādu atmosfēru viņi vienkārši nevarētu zaudēt Saules sistēmas darbības laikā. Tāpēc zinātnieki ierosināja, ka atmosfēras zaudēšanā galvenā loma bija satelītu karsēšanai, ko izraisīja gāzes giganta paisuma un paisuma spēki.
Tajā pašā laikā modelēšana bez tacking parādīja, ka, neskatoties uz spēcīgo gravitācijas lauku, Jupiters varēja nodrošināt sildīšanas un gāzes aploksnes zudumus tikai satelītos, kas atrodas tuvu šai planētai, piemēram, Io un Europa. Bet Ganimīds un Callisto atrastos aiz galvenā Jupiterijas diska "sniega līnijas" un apkures dēļ nebūtu varējuši zaudēt atmosfēru.
Acīmredzot Kallisto ir bagāts ar gaismas elementiem (piemēram, Titāns), un tam pat ir zem ledus esošs okeāns, bet tam nav ievērojamas atmosfēras.
Kad darba autori savā modelēšanā ieviesa Lielās manevrēšanas efektus, "noliekot" Jupiteru ar tā disku 1,5 AU. no Saules, kur tas saņemtu apmēram desmit reizes vairāk saules starojuma, situācija ir mainījusies.
Saskaņā ar mūsdienu datiem, Saule dzīves pirmajos miljonos gadu izstaroja no 100 līdz 10 000 reizes vairāk rentgena un ultravioletā starojuma, nekā tas izstaro tagad. Ķermenis ar slāpekļa atmosfēru, piemēram, pašreizējā Zeme vai Titāns, šādos apstākļos neizbēgami zaudēja gāzes apvalku. Fakts ir tāds, ka šāda starojuma fotonu enerģija ir daudz augstāka nekā redzamās gaismas, un, absorbējot tos, slāpekļa daļiņām vajadzēja ātri iegūt ātrumu vairāku kilometru sekundē un atstāt atmosfēru. Pēc autoru aprēķiniem, šādos apstākļos Zemes primārā slāpekļa atmosfēra tiktu zaudēta tikai dažu miljonu gadu laikā. Un tādi ķermeņi kā Ganymede un Callisto 1,5 AU orbītā. vajadzēja zaudēt atmosfēru vēl ātrāk.
Šis secinājums labvēlīgi atšķir Lielā manevrēšanas modeli no pieņēmuma, ka planētas orbītas paliek nemainīgas. Pēdējā ietvaros ir ļoti grūti iedomāties, kā tieši Jupitera pavadoņi varētu zaudēt atmosfēru, pa ceļam nezaudējot ūdens ledu.
Titānam ir sava atmosfēra
Lai izskaidrotu, kāpēc šajos apstākļos Titāns nezaudēja atmosfēru kopā ar Saturnu 2 ĀS. Sākot no Saules, autori izmantoja datus no Saturna primārā apļveida planetārā diska modelēšanas. Saskaņā ar to Titāns kā satelīts nevarēja veidoties pirms Lielās manevrēšanas. Saules planētas, tāpat kā mēs redzam eksoplanētu sistēmās, tika veidotas ar dažādu ātrumu, un kad masveidīgākā (Jupiters) šo procesu jau bija pabeigusi, Saturns vēl nebija "ieguvis" apmēram 10 procentus no savas masas. Tas nozīmē, ka līdz Lielās manevrēšanas brīdim tas joprojām aktīvi absorbēja matēriju no sava lokveida planetārā diska. Šādos apstākļos Titāns, ja viņš tajā brīdī pastāvētu, noteikti nokristu uz Saturnu. Tāpēc Ēlerts secina, ka patiesībā Titāns varēja būt izveidojies tikai dažus simtus tūkstošus gadu pēc manevra pabeigšanas.
Kā uz Zemes bija slāpekļa atmosfēra šādos apstākļos? Autori norāda, ka saskaņā ar vairākiem citiem darbiem Zemes primārajā atmosfērā ar ievērojamu gravitāciju bija daudz oglekļa dioksīda, kas pilnīgi savādāk mijiedarbojas ar enerģētiskajiem fotoniem, un pēc to absorbcijas varētu efektīvi atkārtoti izdalīt saņemto enerģiju kosmosā, atdzesējot toreizējās Zemes atmosfēras augšējos slāņus. …
Astronomi secina, ka pašreizējā Saules sistēmas konfigurācijā ir gandrīz neiespējami ierosināt citu scenāriju, kurā dažiem milzu planētu pavadoņiem ir četrreiz blīvāka atmosfēra nekā Zemei, bet citiem tāda nav. Bet Lielās manevrēšanas hipotēzes ietvaros Jupitera un Saturna pavadoņu pašreizējais izskats ir izskaidrojams daudz veiksmīgāk nekā tad, ja mēs pieņemam, ka abas šīs planētas nekad nav migrējušas uz Sauli un atpakaļ.
Un tajā pašā laikā hipotēzei ir daudz neatrisinātu problēmu. Galvenais joprojām ir tas, ka to ir ārkārtīgi grūti pilnībā pārbaudīt. Pēdējo 4,5 miljardu gadu laikā mūsu sistēmā ir mainījies pārāk daudz, un daudzus svarīgus faktorus, kas ietekmēja tās vēstures agrīno periodu, var atjaunot tikai netieši. Tas attiecas ne tikai uz migrācijas procesu ātrumu, kas lielā mērā bija atkarīgs no tā, vai senā apkārtmēru protoplanetārā mākoņa blīvums ir pilnīgi skaidrs. Vairāki modeļi liek mums pieņemt, ka tā laika migrācijas laikā gāzes giganti varēja no gravitācijas mijiedarbības izraidīt vienu vai divas lielas planētas no Saules sistēmas, un šajā gadījumā ķermeņi, kurus mēs novērojam, var nesniegt pilnīgi izsmeļošu informāciju par pagātnes notikumiem. Lai iegūtu pilnīgāku hipotēzes apstiprinājumu, ir vajadzīgi pilnīgāki novērojumu dati par to pašu Ganimīdu un Callisto, ko Ellera grupa cer saņemt no Eiropas kosmosa kuģa JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), kam ir jādodas uz Jupitera pavadoņiem 2022.-2030.
Boriss Aleksandrovs