I henhold til den store manøvreringshypotesen reiste Jupiter en gang gjennom solsystemet og utbredte ødeleggelser med tyngdekraften. Denne hypotesen er fremdeles ikke fullt ut akseptert av det vitenskapelige samfunnet på grunn av dets kompleksitet, men mer nylig har nye bevis kommet til sin fordel.
Astronomer ledet av René Heller fra McMaster University har lagt ut den tilsvarende fortrykk på arXiv.org, og selve papiret er allerede akseptert for publisering i Astronomy & Astrophysics. For bedre å forstå hvorfor forskere trenger en slik hypotese, er det flere viktige spørsmål som må tas opp først.
Uvanlig system
Inntil for ganske nylig reiste ikke solsystemets struktur noen spørsmål: det var ganske enkelt ingenting å sammenligne det med. Riktignok ga de eksisterende modellene for dannelse av planeter fra en protoplanetær sky ikke det bildet som er observert av astronomer i praksis, men dette ble tilskrevet ufullkommenheten til selve modellene. De første funnene av eksoplaneter på 90-tallet av forrige århundre påvirket ikke situasjonen spesielt: utvalget var lite, det var få eksoplaneter.
I 2009 ble Kepler-teleskopet satt i drift, hvor hovedhensikten nettopp var letingen etter eksoplaneter. Fra 2015 har NASA registrert mer enn 4 000 kandidatplaneter sett av romfartøyet. Og etter de første tusen av dem, ble det klart at vårt stjernesystem er veldig langt fra typisk.
For det første har vi fire planeter på størrelse med jorden eller mindre, og ikke en eneste superjord - legemer med en radius på 1,25-2,00 ganger jorden. Samtidig, i stjernersystemene som er undersøkt av teleskopene våre, er superjordene tvert imot halvannen gang større enn de såkalte "jordstørrede planetene".
De fleste av de 800 "jordiske planetene" (til venstre) har faktisk en radius som er litt større enn planeten vår, og i masse overskrider den fra 1,5 til 17 ganger; Jorden, Venus, Mars og Merkur er betydelig lettere enn typiske solide planeter fra andre systemer
Salgsfremmende video:
Sitatene her er ikke tilfeldig: denne klassen inkluderer alle kropper med en radius på mindre enn 1,25 Jorden. Men de fleste av dem er større enn planeten vår og betydelig tyngre enn den (for eksempel er Kepler-10c 17 ganger mer massiv enn jorden). Det var en forståelse av at utviklingen av planetsystemet rundt sola gikk på annen måte enn i eksoplanetære systemer med superjordene.
For det andre, i de fleste av de for tiden kjente systemene, er gassgiganter mye nærmere den sentrale stjernen enn vår Jupiter og Saturn. Noen ganger enda nærmere Mercury. Giganter kunne ikke oppstå på et slikt sted - strålingen av en stjerne ville ganske enkelt hindre planetene i å danne seg. Dette mener forskerne konkluderte med at giganter dannes langt fra stjernen, men at de deretter bremses av stoffet som er igjen fra den protoplanetære disken, og beveger seg i bane nærmere.
I systemet vårt hadde imidlertid retardasjon, hvis det var, helt andre konsekvenser - de gigantiske planetene ligger fremdeles ganske langt fra solen.
På tide å migrere
Og i 2010 fremførte Kevin Walshs gruppe en hypotese som forklarte både fraværet av superjordene i solsystemet og den relative avstanden til gassgiganter ved samme hendelse - den såkalte Grand Tack-hypotesen.
I følge Walsh, da solsystemet var fra 1 til 10 millioner år gammelt og de jordiske planetene ennå ikke hadde dannet seg, migrerte Jupiter fra en bane på 3,5 astronomiske enheter (omtrent 525 millioner kilometer fra solen, en astronomisk enhet er lik den gjennomsnittlige avstanden fra jorden til solen) inn i en bane på 1,5 astronomiske enheter, der Mars er nå. Der stoppet den gigantiske planeten, antagelig på grunn av tyngdekraften til Saturn, som vandret etter Jupiter inn i en bane 2 astronomiske enheter fra solen. Kjempen begynte deretter å sakte bevege seg tilbake til den kom tilbake til sin nåværende bane med 5 astronomiske enheter.
Hvis det ikke var for migrasjonen av Jupiter og Saturn, som blir ført bort av den, til Solen og tilbake, ville det indre området av solsystemet (over) se slik ut nå (nedenfor).
Den store manøvreringshypotesen forklarte treffende mange svært uvanlige trekk ved solsystemet. Under sin reise til Solen og tilbake måtte Jupiter fjerne stedet for dannelsen av de jordiske planetene fra den "ekstra" massen av gass og støv, og fratok dem muligheten til å bli superjord. Samtidig ble stedene der Mars og asteroidebeltet ble dannet mest påvirket av tyngdekraften til den gigantiske planeten, noe som førte til deres unormalt små (og det er fra synspunktet om utviklingen av solsystemet, slik) masse.
Men for all hypotesenes attraktivitet ser den ganske komplisert ut, og det er grunnen til at mange astronomer fortsatt tviler på dens korrekthet. I det nye verket bestemte Rene Eller og medforfattere seg for å teste hvilken effekt Great Maneuvering kunne ha på månene til Jupiter. Ideen deres er enkel: det er nødvendig å simulere utviklingen av solsystemet med og uten manøvrering, og deretter sammenligne resultatene. Hvis simulering med manøvrering er mer som sannheten, betyr det at det nye verket vil være et annet bevis på hypotesen. Hvis det ikke er manøvrering, så vær det - det betyr at hypotesen om en migrerende Jupiter er for eksotisk.
Av størst interesse for slike simuleringer er Ganymede og Callisto, to store satellitter av Jupiter, halvt vann og halvt solide. Fakta er at hvis manøvreringshypotesen er riktig, burde begge disse kroppene ha dannet seg før selve manøvreringen: objekter med en slik andel vannis vises ikke på steder som er nærmere en viss avstand fra solen. I følge forfatternes beregninger, kunne Callisto og Ganymede, tatt i betraktning påvirkning fra den yngste Jupiter og dens circumplanetary disk, ikke oppstå nærmere 4 astronomiske enheter fra Solen.
Titan (i nedre venstre hjørne) er ikke langt fra Månen i størrelse og tyngdekraft, men der den dannet seg var det flere lette elementer, derfor har en relativt liten satellitt en nitrogenatmosfære som er fire ganger tettere enn Jorden.
Hva slags spor kunne den store taklingen etterlate på satellittene? Det handler om stemningen. Forfatterne av verket tok utgangspunkt i at atmosfæren til Saturns måne Titan, og den nå atmosfæriske Jupiterian Callisto og Ganymede, opprinnelig var lik, så vel som deres masser og dannelsessoner.
Samtidig sier estimater av eksisterende modeller at Titans atmosfære, som er fire ganger tettere enn jordas, kan gå tapt ved gravitasjon ikke tidligere enn i et halvt år. Selv om satellittene til Jupiter reduseres dette tallet flere ganger, kan en slik atmosfære ganske enkelt ikke gå tapt av dem i løpet av solsystemets levetid. Derfor antydet forskere at oppvarmingen av satellittene, forårsaket av tidevannskraften til tyngdekraften til gassgiganten, spilte en nøkkelrolle i tapet av atmosfæren.
Samtidig viste modellering uten takling at til tross for det kraftige tyngdekraften, kunne Jupiter sørge for oppvarming og tap av gasskonvolutten bare i satellitter nær denne planeten, som Io og Europa. Men Ganymede og Callisto ville ligge bak "snølinjen" på den primære jupiterianske disken og ville ikke ha klart å miste atmosfæren på grunn av oppvarming.
Tilsynelatende er Callisto rik på lette elementer (som Titan), og har til og med et hav under isen, men det har ikke en betydelig atmosfære.
Da forfatterne av verket introduserte effektene av den store manøvreringen i deres modellering, "plasserte" Jupiter med disken sin 1,5 AU. fra solen, der den ville motta omtrent ti ganger mer solstråling, har situasjonen endret seg.
Ifølge moderne data, solgte solen i de første million årene av sitt liv fra 100 til 10.000 ganger mer røntgenstråler og ultrafiolett stråling enn den sender ut nå. Et legeme med nitrogenatmosfære, slik som den nåværende Jorden eller Titan, mistet uunngåelig gasshyllen under slike forhold. Fakta er at energien til fotonene til slik stråling er mye høyere enn for synlig lys, og etter å ha absorbert dem, måtte nitrogenpartiklene raskt få en hastighet på flere kilometer i sekundet og forlate atmosfæren. I følge forfatternes beregninger, under slike forhold, ville jordens primære nitrogenatmosfære gå tapt på bare noen få millioner år. Og kropper som Ganymede og Callisto i en bane på 1,5 AU. burde ha mistet atmosfæren enda raskere.
Denne konklusjonen skiller gunstig den store manøvreringsmodellen fra antagelsen om at planetens baner forblir uendret. Innenfor rammen av sistnevnte er det veldig vanskelig å forestille seg hvordan nøyaktig Jupiters satellitter kunne miste atmosfæren uten å miste vannis underveis.
Titan har sin egen atmosfære
For å forklare hvorfor under disse forholdene ikke mistet Titan atmosfæren, sammen med Saturn i 2. AU. fra Sola, forfatterne hentet data fra modellering av den primære circumplanetary disk av Saturn. Ifølge den kunne ikke Titan som satellitt dannes før den store manøvreringen. Planetene til Solar, akkurat som vi ser i eksoplanetære systemer, ble dannet i forskjellige hastigheter, og da den mest massive (Jupiter) allerede hadde fullført denne prosessen, hadde Saturn ennå ikke "fått" omtrent 10 prosent av massen. Dette betyr at den ved den store manøvreringen fortsatt absorberte materiell fra den circumplanetary disken. Under slike forhold ville Titan, hvis han eksisterte i det øyeblikket, sikkert falt til Saturn. Derfor konkluderer Eller, i virkeligheten, Titan kunne ha dannet seg bare noen hundre tusen år etter fullføringen av manøvreringen.
Hvordan hadde Jorden en nitrogenatmosfære under slike forhold? Forfatterne påpeker at i henhold til en rekke andre arbeider, i jordens primære atmosfære med sin betydelige tyngdekraft, var det mye karbondioksid, som samhandler med energiske fotoner på en helt annen måte, og etter å ha absorbert dem, kunne den effektivt sende ut den mottatte energien ut i rommet, og avkjøle de øvre lagene i den daværende Jordens atmosfære. …
Astronomer kommer til den konklusjon at det i den nåværende konfigurasjonen av solsystemet er nesten umulig å foreslå et annet scenario der noen satellitter av gigantplaneter har en atmosfære som er fire ganger tettere enn Jorden, mens andre ikke har det i det hele tatt. Men innenfor rammen av den store manøvreringshypotesen, kan det nåværende utseendet til satellittene til Jupiter og Saturn forklares mye mer vellykket enn hvis vi antar at begge disse planetene aldri vandret til solen og tilbake.
Og samtidig har hypotesen mange uavklarte problemer. Det viktigste er fremdeles at det er ekstremt vanskelig å verifisere det fullstendig. For mye har endret seg i systemet vårt de siste 4,5 milliarder årene, og mange viktige faktorer som påvirket den tidlige perioden av dets historie, kan bare gjenopprettes indirekte. Det handler ikke bare om hastigheten på migrasjonsprosesser, som sterkt var avhengig av den ikke helt klare tettheten til den gamle sirkumsolære protoplanetære skyen. En rekke modeller tvinger oss til å anta at under datidens migrasjoner kunne gassgiganter ha kastet ut en eller to store planeter fra solsystemet ved gravitasjonsinteraksjon, og i dette tilfellet kan det hende at kroppene vi observerer ikke gir helt uttømmende informasjon om hendelser fra tidligere tid. For en mer fullstendig bekreftelse av hypotesen, trengs mer fullstendige observasjonsdata for den samme Ganymede og Callisto, som Ellers gruppe håper å motta fra det europeiske romfartøyet JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), som skal reise til månene til Jupiter i 2022-2030.
Boris Alexandrov
