I henhold til den store manøvreringshypotese rejste Jupiter engang gennem solsystemet og ødelagde dens alvor. Denne hypotese er stadig ikke fuldt ud accepteret af det videnskabelige samfund på grund af dets kompleksitet, men for nylig er der kommet nye beviser til sin fordel.
Astronomer ledet af René Heller fra McMaster University har lagt den tilsvarende fortryk på arXiv.org, og selve papiret er allerede blevet accepteret til offentliggørelse i Astronomy & Astrophysics. For bedre at forstå, hvorfor forskere har brug for en sådan hypotese, er der flere vigtige spørgsmål, der skal behandles først.
Usædvanligt system
Indtil for nylig rejste solsystemets struktur ingen spørgsmål: der var simpelthen intet at sammenligne det med. Det er sandt, at de eksisterende modeller for dannelse af planeter fra en protoplanetær sky ikke gav det billede, der er observeret af astronomer i praksis, men dette blev tilskrevet ufuldkommenheden af selve modellerne. De første opdagelser af eksoplaneter i 90'erne af det forrige århundrede påvirkede ikke situationen særlig: prøven var lille, der var få eksoplaneter.
I 2009 blev Kepler-teleskopet taget i brug, hvis hovedformål var netop søgningen efter eksoplaneter. Fra 2015 har NASA registreret over 4.000 kandidatplaneter set af rumfartøjet. Og efter det første tusinde af dem blev det klart, at vores stjernesystem er meget langt fra typisk.
For det første har vi fire planeter på størrelse med Jorden eller mindre, og ikke en enkelt superjord - legemer med en radius på 1,25-2,00 gange Jorden. Samtidig er superjordene tværtimod halvanden gang større i de stjernesystemer, der er undersøgt af vores teleskoper, end de såkaldte "jordstørrede planeter".
De fleste af de 800 "jordiske planeter" (til venstre) har faktisk en radius lidt større end vores planet, og i masse overstiger den fra 1,5 til 17 gange; Jorden, Venus, Mars og Merkur er væsentligt lettere end typiske faste planeter fra andre systemer
Salgsfremmende video:
Citaterne her er ikke tilfældige: denne klasse inkluderer alle kroppe med en radius på mindre end 1,25 Jorden. Men de fleste af dem er større end vores planet og betydeligt tungere end den (for eksempel er Kepler-10c 17 gange mere massiv end Jorden). Der var forståelse for, at udviklingen af planetsystemet omkring Solen gik på anden måde end i eksoplanetære systemer med superjord.
For det andet er gasgiganter i de fleste af de i øjeblikket kendte systemer meget tættere på den centrale stjerne end vores Jupiter og Saturn. Nogle gange endnu tættere på Merkur. Giganter kunne ikke opstå på et sådant sted - stråling af en stjerne ville simpelthen forhindre planeterne i at dannes. Dette betyder, konkluderede forskere, at der dannes giganter langt fra stjernen, men derefter bremses de af det stof, der er tilbage fra den protoplanetære disk, og bevæger sig nærmere bane.
I vores system havde retardation, hvis der var, imidlertid helt andre konsekvenser - gigantplaneterne er stadig placeret ganske langt fra Solen.
Tid til at migrere
Og i 2010 fremsatte Kevin Walshs gruppe en hypotese, der forklarede både fraværet af superjordene i solsystemet og den relative afstand fra gasgiganter ved den samme begivenhed - den såkaldte Grand Tack-hypotese.
Ifølge Walsh, når solsystemet var fra 1 til 10 millioner år gamle og de jordiske planeter endnu ikke var dannet, vandrede Jupiter fra en bane på 3,5 astronomiske enheder (ca. 525 millioner kilometer fra solen, en astronomisk enhed er lig med den gennemsnitlige afstand fra Jorden til Solen) ind i en bane på 1,5 astronomiske enheder, hvor Mars nu er. Der stoppede den gigantiske planet, formodentlig på grund af Saturns tyngdekraft, der vandrede efter Jupiter ind i en kredsløb 2 astronomiske enheder fra Solen. Giganten begyndte derefter langsomt at bevæge sig tilbage, indtil den vendte tilbage til sin nuværende bane på 5 astronomiske enheder.
Hvis det ikke var for migrationen af Jupiter og Saturn, som føres væk af den, til Solen og tilbage, ville det indre område af solsystemet (ovenfor) se sådan ud nu (nedenfor).
Den store manøvreringshypotese forklarede hensigtsmæssigt mange meget usædvanlige træk ved solsystemet. Under sin rejse til Solen og tilbage måtte Jupiter rydde stedet for dannelsen af de jordiske planeter fra den "ekstra" masse af gas og støv og fratog dem muligheden for at blive superjord. På samme tid blev de steder, hvor Mars og asteroidebåndet blev dannet, mest påvirket af tyngdekraften af den gigantiske planet, hvilket førte til deres unormalt lille (og det er fra synspunktet om solsystemets udvikling, sådan) masse.
Men for alle hypotesenes attraktivitet ser den temmelig kompliceret ud, og det er grunden til, at mange astronomer stadig tvivler på dens rigtighed. I det nye værk besluttede Rene Eller og medforfattere at teste, hvilken effekt Great Maneuvering kunne have på Jupiters måner. Deres idé er enkel: Det er nødvendigt at simulere udviklingen af solsystemet med og uden manøvrering og derefter sammenligne resultaterne. Hvis simulering med manøvrering mere ligner sandheden, betyder det, at det nye værk vil være et andet bevis på hypotesen. Hvis uden manøvrering, så vær det så - det betyder, at hypotesen om en migrerende Jupiter er for eksotisk.
Af største interesse for sådanne simuleringer er Ganymede og Callisto, to store måner af Jupiter, halvt vand og halvt fast. Faktum er, at hvis hypotesen om manøvrering er korrekt, skulle begge disse kropper have dannet sig inden selve manøvreringen: objekter med en sådan andel vandis vises ikke på steder, der er tættere på en bestemt afstand fra solen. Ifølge forfatterens beregninger kunne Callisto og Ganymede under hensyntagen til indflydelsen fra den yngste Jupiter og dens circumplanetary disk have stammet ikke nærmere end 4 astronomiske enheder fra Solen.
Titan (i nederste venstre hjørne) er ikke langt fra Månen i størrelse og tyngdekraft, men hvor den dannede var der flere lette elementer, derfor har en relativt lille satellit en nitrogenatmosfære, der er fire gange tættere end Jorden.
Hvilke spor kunne den store takning efterlade på satellitterne? Det handler om atmosfæren. Forfatterne af værket tog udgangspunkt i, at atmosfæren i Saturns måne Titan og den nu atmosfæriske Jupiterian Callisto og Ganymede oprindeligt var ens, såvel som deres masser og dannelseszoner.
Samtidig siger estimater af eksisterende modeller, at Titans atmosfære, fire gange tættere end Jordens, kan gå tabt ved hjælp af tyngdekraften ikke tidligere end i et september år. Selv hvis for Jupiters satellitter reduceres dette tal flere gange, kunne en sådan atmosfære simpelthen ikke gå tabt af dem i løbet af solsystemets levetid. Derfor antydede videnskabsmænd, at opvarmningen af satellitterne, forårsaget af tidens tidevandskræfter i gasgiganten, spillede en nøglerolle i tabet af atmosfæren.
På samme tid viste modellering uden at klæbe fast, at Jupiter på trods af det kraftige tyngdefelt kun kunne levere opvarmning og tab af gaskonvolutten i satellitter tæt på denne planet, som Io og Europa. Men Ganymede og Callisto ville være bag "sneslinjen" på den primære jupiterianske disk og ville ikke have været i stand til at miste atmosfæren på grund af opvarmning.
Tilsyneladende er Callisto rig på lette elementer (som Titan) og har endda et underhav, men det har ikke en betydelig atmosfære.
Da forfatterne af værket introducerede Great Maneuvering-effekterne i deres modellering, "placerede" Jupiter med disken på 1,5 AU. fra solen, hvor den ville modtage cirka ti gange mere solstråling, har situationen ændret sig.
Ifølge moderne data udsendte Solen i de første millioner år af sit liv fra 100 til 10.000 gange mere røntgenstråler og ultraviolet stråling, end den udsender nu. Et legeme med en nitrogenatmosfære, såsom den nuværende Jorden eller Titan, mistede uundgåeligt sin gashylle under sådanne forhold. Faktum er, at energien fra fotonerne i en sådan stråling er meget højere end for synligt lys, og efter at have absorberet dem måtte nitrogenpartiklerne hurtigt få en hastighed på flere kilometer i sekundet og forlade atmosfæren. I henhold til forfatterens beregninger ville jordens primære nitrogenatmosfære under sådanne forhold gå tabt i løbet af få millioner år. Og kroppe som Ganymede og Callisto i en bane på 1,5 AU. skulle have mistet deres atmosfære endnu hurtigere.
Denne konklusion adskiller positivt den store manøvreringsmodel fra antagelsen om, at planetariske kredsløb forbliver uændrede. Inden for sidstnævnte er det meget vanskeligt at forestille sig, hvordan Jupiters satellitter nøjagtigt kunne miste deres atmosfære uden at miste vandis undervejs.
Titan har sin egen atmosfære
For at forklare, hvorfor Titan ikke under disse forhold mistede sin atmosfære sammen med Saturn i 2. AU. fra Solen, forfatterne brugte data fra modellering af den primære circumplanetary disk af Saturn. Ifølge den kunne Titan som satellit ikke dannes før den store manøvrering. Solens planeter, ligesom vi ser i eksoplanetære systemer, blev dannet i forskellige hastigheder, og da den mest massive (Jupiter) allerede havde afsluttet denne proces, havde Saturn endnu ikke "fået" cirka 10 procent af dens masse. Dette betyder, at den på tidspunktet for den store manøvrering stadig optog stof fra sin circumplanetary disk. Under sådanne forhold ville Titan, hvis han eksisterede i det øjeblik, helt sikkert falde til Saturn. Derfor konkluderer Eller, i virkeligheden, Titan kunne have dannet sig kun et par hundrede tusind år efter afslutningen af manøvreringen.
Hvordan havde Jorden en nitrogenatmosfære under sådanne forhold? Forfatterne påpeger, at der ifølge en række andre værker, i jordens primære atmosfære med dens betydelige tyngdekraft var meget kulsyre, som interagerer på en helt anden måde med energiske fotoner, og efter deres absorption effektivt kunne udsende den modtagne energi i rummet, hvor de øvre lag af den daværende jordatmosfære afkøles. …
Astronomer konkluderer, at det i den nuværende konfiguration af solsystemet er næsten umuligt at foreslå et andet scenarie, hvor nogle satellitter på gigantplaneterne har en atmosfære, der er fire gange tættere end Jorden, mens andre overhovedet ikke har den. Men inden for rammerne af den store manøvreringshypotese kan det nuværende udseende af Jupiters og Saturns satellitter forklares meget mere vellykket, end hvis vi antager, at begge disse planeter aldrig vandrede til Solen og tilbage.
Og på samme tid har hypotesen mange uløste problemer. Det centrale er stadig, at det er ekstremt vanskeligt at verificere det fuldstændigt. For meget er ændret i vores system i de sidste 4,5 milliarder år, og mange vigtige faktorer, der påvirkede den tidlige periode i dets historie, kan kun gendannes indirekte. Det handler ikke kun om hastigheden af migrationsprocesser, der stærkt afhang af den ikke helt klare tæthed af den antikke cirkumsolære protoplanetære sky. En række modeller tvinger os til at antage, at gasdæmpere under den tid migration kunne have kastet en eller to store planeter ud af solsystemet i dette tilfælde, og i dette tilfælde kan de legemer, vi observerer, muligvis ikke give fuldstændig udtømmende information om fortidens begivenheder. For en mere fuldstændig bekræftelse af hypotesen er der brug for mere komplette observationsdata for den samme Ganymede og Callisto, som Ellers gruppe håber at modtage fra det europæiske rumfartøj JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), der skal rejse til Jupiters måner i 2022-2030.
Boris Alexandrov