Enligt hypotesen Great Maneuvering reste Jupiter en gång genom solsystemet och såg kaos med sin allvar. Denna hypotese är fortfarande inte fullt accepterad av det vetenskapliga samfundet på grund av dess komplexitet, men nyligen har nya bevis dykt upp till dess fördel.
Astronomer under ledning av René Heller från McMaster University har publicerat motsvarande förtryck på arXiv.org, och själva papperet har redan accepterats för publicering i Astronomy & Astrophysics. För att bättre förstå varför forskare behöver en sådan hypotes finns det flera viktiga frågor som måste tas upp först.
Ovanligt system
Fram till nyligen väckte solsystemets struktur inga frågor: det fanns helt enkelt inget att jämföra det med. Det är riktigt att de befintliga modellerna för att bilda planeter från ett protoplanetärt moln gav inte den bild som observeras av astronomer i praktiken, men detta tillskrivs ofullständigheten hos modellerna själva. De första upptäckterna av exoplaneter på 90-talet av förra seklet påverkade inte situationen särskilt: urvalet var litet, det fanns få exoplaneter.
2009 togs Kepler-teleskopet i drift, vars huvudsyfte var just sökandet efter exoplaneter. Från och med 2015 har NASA registrerat mer än 4 tusen kandidatplaneter sett av rymdskeppet. Och efter de första tusen av dem blev det tydligt att vårt stjärnsystem är mycket långt ifrån typiskt.
För det första har vi fyra planeter på jordens storlek eller mindre, och inte en enda superjord - kroppar med en radie på 1,25-2,00 gånger jorden. Samtidigt, i de stjärnsystem som undersöks av våra teleskop, är tvärtom superjordar tvärtom en och en halv gånger större än de så kallade "jordstorlekarna".
De flesta av de 800 "markplaneterna" (till vänster) har faktiskt en radie som är något större än vår planet, och i massa överstiger den från 1,5 till 17 gånger; Jorden, Venus, Mars och Merkurius är betydligt lättare än vanliga solida planeter i andra system
Kampanjvideo:
Citaten här är inte av misstag: denna klass omfattar alla kroppar med en radie på mindre än 1,25 Jorden. Men de flesta av dem är större än vår planet och betydligt tyngre än den (till exempel är Kepler-10c 17 gånger massivare än jorden). Det fanns en förståelse för att utvecklingen av planetsystemet runt solen gick på något annat sätt än i exoplanetära system med superjordar.
För det andra, i de flesta av de för närvarande kända systemen, är gasjättarna mycket närmare den centrala stjärnan än vår Jupiter och Saturn. Ibland ännu närmare Mercury. Jättar kunde inte uppstå på en sådan plats - en stjärnas strålning skulle helt enkelt förhindra planeterna från att bildas. Detta betyder, forskarna drog slutsatsen att jättar bildas långt ifrån stjärnan, men då bromsas de ner av det ämne som finns kvar från den protoplanetära disken och rör sig i banor närmare.
I vårt system hade emellertid retardationen, om det fanns, helt andra konsekvenser - jätteplaneterna ligger fortfarande ganska långt från solen.
Dags att migrera
Och 2010 lade Kevin Walshs grupp fram en hypotes som förklarade både frånvaron av superjordar i solsystemet och den relativa avlägsenheten hos gasjättarna av en och samma händelse - den så kallade Great Tack Hypotesen.
Enligt Walsh, när solsystemet var från 1 till 10 miljoner år gammalt och de jordiska planeterna ännu inte hade bildats, migrerade Jupiter från en bana på 3,5 astronomiska enheter (cirka 525 miljoner kilometer från solen, en astronomisk enhet är lika med medelavståndet från jorden till solen) till en bana på 1,5 astronomiska enheter, där Mars nu är. Där slutade den jätteplaneten, antagligen på grund av Saturnus allvar, som migrerade efter Jupiter in i en kretslopp 2 astronomiska enheter från solen. Jätten började sedan sakta röra sig tills den återvände till sin nuvarande omloppsbana på 5 astronomiska enheter.
Om det inte var för flyttningen av Jupiter och Saturnus, som transporteras av den, till solen och tillbaka, skulle det inre området i solsystemet (ovan) se ut så här nu (nedan).
Den stora manövreringshypotesen förklarade passande många mycket ovanliga funktioner i solsystemet. Under sin resa till solen och tillbaka måste Jupiter rensa platsen för bildandet av markplaneterna från den "extra" massan av gas och damm, och berövade dem möjligheten att bli superjordar. Samtidigt påverkades platserna där Mars och asteroidbältet bildades mest av tyngdplanet på jätteplaneten, vilket ledde till deras onormalt små (och det är ur solsystemets utveckling, sådan) massa.
Men för all hypotesens attraktivitet ser den ganska komplicerad ut, varför många astronomer fortfarande tvivlar på dess korrekthet. I det nya arbetet beslutade Rene Eller och medförfattare att testa vilken effekt Great Maneuvering kunde ha på Jupiters månar. Deras idé är enkel: det är nödvändigt att simulera utvecklingen av solsystemet med och utan manövrering och sedan jämföra resultaten. Om simulering med manövrering är mer som sanningen, betyder det att det nya arbetet kommer att vara ett annat bevis på hypotesen. Om utan manövrering, så var det så - det betyder att hypotesen om en migrerande Jupiter är för exotisk.
Av största intresse för sådana simuleringar är Ganymede och Callisto, två stora satelliter av Jupiter, halvt vatten och halvt fast. Faktum är att om hypotesen om manövrering är korrekt, båda dessa kroppar borde ha bildats innan själva manövreringen: föremål med en sådan andel vattenis visas inte på platser som ligger närmare ett visst avstånd från solen. Enligt författarnas beräkningar, med hänsyn till inflytandet från den yngsta Jupiter och dess circumplanetary disk, kunde Callisto och Ganymede uppstå inte närmare än fyra astronomiska enheter från solen.
Titan (i det nedre vänstra hörnet) är inte långt från månen i storlek och tyngdkraft, men där den bildades fanns det fler ljuselement, därför har en relativt liten satellit kväveatmosfär fyra gånger tätare än jorden.
Vilken typ av spår kunde den stora tacklingen lämna på satelliterna? Det handlar om stämningen. Författarna till verket gick ut från antagandet att atmosfären i Saturns måne Titan, och den nu atmosfäriska Jupiterian Callisto och Ganymede, ursprungligen var likadana, liksom deras massor och bildningszoner.
Samtidigt säger uppskattningar av befintliga modeller att Titans atmosfär, som är fyra gånger tätare än jordens, kan gå förlorad av tyngdkraften inte tidigare än under en septillion år. Även om för Jupiters satelliter minskas denna siffra flera gånger, en sådan atmosfär kunde helt enkelt inte gå förlorad av dem under solsystemets livstid. Därför föreslog forskare att uppvärmningen av satelliterna, orsakade av gasjättens tidvattenkrafter, spelade en nyckelroll i förlusten av atmosfären.
Samtidigt visade modellering utan vidhäftning att Jupiter, trots det kraftfulla tyngdfältet, endast kunde ge uppvärmning och förlust av gashöljet i satelliter nära denna planet, som Io och Europa. Men Ganymede och Callisto skulle ligga bakom "snölinjen" på den primära jupiterianska disken och skulle inte ha kunnat förlora atmosfären på grund av uppvärmning.
Uppenbarligen är Callisto rik på ljusa element (som Titan) och har till och med ett hav under isen, men det har inte någon betydande atmosfär.
När författarna till verket introducerade effekterna av den stora manövreringen i sin modellering, "placerade" Jupiter med disken på 1,5 AU. från solen, där den skulle ta emot cirka tio gånger mer solstrålning, har situationen förändrats.
Enligt moderna data sände solen under de första miljoner åren av sitt liv från 100 till 10 000 gånger mer röntgenstrålar och ultraviolett strålning än den släpper ut nu. En kropp med kväveatmosfär, såsom den nuvarande jorden eller Titan, förlorade oundvikligen sitt gashölje. Faktum är att energin från fotonerna i sådan strålning är mycket högre än för synligt ljus, och efter att ha absorberat dem, måste kvävepartiklarna snabbt få en hastighet på flera kilometer per sekund och lämna atmosfären. Enligt författarnas beräkningar skulle under sådana förhållanden jordens primära kväveatmosfär gå förlorad på bara några miljoner år. Och kroppar som Ganymede och Callisto i en bana på 1,5 AU. borde ha förlorat sin atmosfär ännu snabbare.
Denna slutsats skiljer positivt den stora manövreringsmodellen från antagandet att planetbanorna förblir oförändrade. Inom ramen för det senare är det mycket svårt att föreställa sig exakt hur Jupiters satelliter skulle kunna förlora sin atmosfär utan att tappa vattenis på vägen.
Titan har sin egen atmosfär
För att förklara varför, under dessa förhållanden, inte tappade Titan sin atmosfär, tillsammans med Saturnus under 2 AU. från solen, författarna använde data från modellering av den primära circumplanetary disk av Saturn. Enligt den kunde Titan som satellit inte bildas innan den stora manövreringen. Solplaneterna, precis som vi ser i exoplanetära system, bildades i olika takt, och när den mest massiva (Jupiter) redan hade slutfört denna process, hade Saturn ännu inte "fått" cirka 10 procent av sin massa. Detta innebär att det vid den stora manövreringens tid fortfarande aktivt absorberade materia från dess circumplanetary disk. Under sådana förhållanden skulle Titan, om han fanns i det ögonblicket, säkert falla till Saturnus. Därför avslutar Eller, i verkligheten, Titan kunde ha bildat bara några hundra tusen år efter att manövreringen avslutats.
Hur hade jorden en kväveatmosfär under sådana förhållanden? Författarna påpekar att enligt ett antal andra verk, i jordens primära atmosfär med dess betydande tyngdkraft, fanns det mycket koldioxid, som samverkar på ett helt annat sätt med energiska fotoner, och efter deras absorption effektivt kunde släppa ut den mottagna energin i rymden och kyla de övre skikten i den dåvarande jordens atmosfär …
Astronomer drar slutsatsen att i den nuvarande konfigurationen av solsystemet är det nästan omöjligt att föreslå ett annat scenario där vissa satelliter på jätteplaneterna har en atmosfär som är fyra gånger tätare än jorden, medan andra inte har det alls. Men inom ramen för den stora manövreringshypotesen kan det nuvarande utseendet på satelliterna på Jupiter och Saturnus förklaras mycket mer framgångsrikt än om vi antar att båda dessa planeter aldrig migrerade till solen och tillbaka.
Och samtidigt har hypotesen många olösta problem. Det viktigaste är fortfarande att det är extremt svårt att verifiera det helt. För mycket har förändrats i vårt system under de senaste 4,5 miljarder åren och många viktiga faktorer som påverkade den tidiga perioden av dess historia kan bara återställas indirekt. Det handlar inte bara om migrationsprocessernas hastighet, som starkt berodde på den inte helt tydliga densiteten i det antika cirkumsolära protoplanetära molnet. Ett antal modeller tvingar oss att anta att gasjättarna under den tidens migration kunde ha kastat ut en eller två stora planeter från solsystemet genom gravitationsinteraktion, och i detta fall kanske kropparna vi observerar inte ger fullständig information om tidigare händelser. För en mer fullständig bekräftelse av hypotesen behövs mer fullständiga observationsdata för samma Ganymede och Callisto, som Ellers grupp hoppas få från det europeiska rymdskeppet JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), som är att resa till Jupiters månar 2022-2030.
Boris Alexandrov