A nagy manőverező hipotézis szerint Jupiter egyszer áthaladt a Naprendszeren, súlyosságával pusztítva. Ezt a hipotézist a tudományos közösség még mindig nem fogadja el teljesen a bonyolultsága miatt, ám a közelmúltban új bizonyítékok jelentek meg a javára.
A McMasteri Egyetemen René Heller vezette csillagászok feltették a megfelelő előnyomást az arXiv.org oldalra, és maga a cikk már elfogadásra került a Csillagászat és Asztrofizika kiadványában. Annak jobb megértése érdekében, hogy a tudósoknak miért kell ilyen hipotézis, számos fontos kérdést kell először megválaszolni.
Szokatlan rendszer
Egészen a közelmúltig a naprendszer felépítése nem vetett fel kérdéseket: egyszerűen nem volt semmi, amivel összehasonlítani lehetne. Igaz, hogy a protoplanetáris felhőből a bolygók képződésének meglévő modelljei nem adták azt a képet, amelyet a csillagászok a gyakorlatban megfigyelnek, de ezt maguknak a modelleknek a tökéletlenségének tulajdonítják. Az exoplanetek első felfedezései a múlt század 90-es éveiben nem különösebben befolyásolták a helyzetet: a minta kicsi volt, kevés exoplaneta volt.
2009-ben üzembe helyezték a Kepler távcsövet, amelynek fő célja éppen az egzoplanetatok keresése volt. 2015 óta a NASA több mint 4 000 potenciális bolygót regisztrált, amelyeket az űrhajó látott. És az első ezer után világossá vált, hogy csillagrendszerünk nagyon messze van a tipikustól.
Először is, négy bolygónk van a Föld méreténél vagy annál kevesebb, és egyetlen szuper Föld sem létezik - testek, amelyek sugara a Föld 1,25-2,00-szerese. Ugyanakkor a távcsöveink által vizsgált csillagrendszerekben a szuperföldök éppen ellenkezőleg másfélszeresek, mint az úgynevezett "Föld méretű bolygók".
A 800 "szárazföldi bolygó" (balra) többségének sugara valójában kissé nagyobb, mint a bolygónkon, és tömegében meghaladja azt 1,5-17-szer; A Föld, a Vénusz, a Mars és a higany szignifikánsan könnyebb, mint a többi rendszer tipikus szilárd bolygói
Promóciós videó:
Az idézetek nem véletlenszerűek: ebbe az osztályba tartoznak az összes test, amelynek sugara kisebb, mint 1,25 Föld. De többségük nagyobb, mint a bolygónk és lényegesen nehezebb (például a Kepler-10c 17-szer hatalmasabb, mint a Föld). Megállapodás született abban, hogy a Nap körül a bolygórendszer fejlődése más módon ment, mint az exoplanetáris rendszerekben a szuperföldekkel.
Másodszor, a legtöbb jelenleg ismert rendszerben a gáz óriások sokkal közelebb vannak a központi csillaghoz, mint a Jupiter és a Szaturnusz. Néha még közelebb a Merkúrhoz. Óriások nem léphetnek fel ilyen helyen - egy csillag sugárzása egyszerűen megakadályozza a bolygók képződését. Ez azt jelenti, hogy a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az óriások a csillagtól távol helyezkednek el, majd ezeket lelassítja a protoplanetáris korongból megmaradó anyag, és közelebb kerülnek a pályára.
Rendszerünkben azonban a lassulás, ha létezik, teljesen más következményekkel jár - az óriási bolygók még mindig elég messze vannak a Naptól.
Ideje migrálni
És 2010-ben Kevin Walsh csoportja hipotézist fogalmazott meg, amely magyarázza mind a szuperföldek hiányát a Naprendszerben, mind a gáz óriások relatív távolságát ugyanazon esemény alapján - az úgynevezett Grand Tack hipotézis.
Walsh szerint amikor a Naprendszer 1-10 millió éves volt, és a földi bolygók még nem voltak kialakulva, Jupiter 3,5 csillagászati egység körüli pályára vándorolt (kb. 525 millió kilométerre a Napotól, egy csillagászati egység megegyezik a Föld és a Nap átlagos távolságával). egy 1,5 csillagászati egység körüli pályára, ahol a Mars jelenleg van. Ott az óriás bolygó megállt, feltehetően a Szaturnusz gravitációjának köszönhetően, amely Jupiter után vándorolt a Nap körüli pályájára 2 csillagászati egységekbe. Az óriás ezután lassan visszaindult, amíg visszatért a jelenlegi 5 csillagászati egység pályájára.
Ha nem a Jupiter és a Szaturnusz vándorolna a Napba és vissza, a Naprendszer belső régiója (fent) így nézne ki (lent).
A nagy manőverező hipotézis helyesen magyarázta a Naprendszer sok rendkívül szokatlan tulajdonságát. Jupiternek a Nap felé és vissza útja során meg kellett tisztítania a földi bolygók képződésének helyét a gáz és por "extra" tömegéből, megfosztva őket a szuperföldekké válás lehetőségétől. Ugyanakkor azokat a helyeket, ahol a Mars és az aszteroid öv képződött, leginkább az óriásbolygó gravitációja befolyásolta, ami rendkívül kicsi (és a Naprendszer fejlődésének szempontjából ilyen) tömegéhez vezetett.
A hipotézis vonzereje szempontjából azonban meglehetősen bonyolultnak tűnik, ezért sok csillagász még mindig kételkedik a helyességében. Az új műben Rene Eller és a társszerzők úgy döntöttek, hogy tesztelik, hogy a Nagy Manőverezés milyen hatással lehet Jupiter holdjaira. Elképzelésük egyszerű: szimulálni kell a Naprendszer fejlődését manőverezéssel és anélkül, majd összehasonlítani az eredményeket. Ha a manőverezéssel történő szimuláció inkább az igazsághoz hasonlít, ez azt jelenti, hogy az új munka a hipotézis újabb bizonyítéka lesz. Ha nincs manőverezés, akkor legyen is - ez azt jelenti, hogy a vándorló Jupiter hipotézise túl egzotikus.
Az ilyen szimulációk szempontjából a legnagyobb érdeklődés a Ganymede és Callisto, a Jupiter két nagy műholdja, fele víz és félig szilárd. A helyzet az, hogy ha a manőverezési hipotézis helyes, akkor mindkét testnek a tényleges manőverezés előtt meg kellett volna alakulnia: az ilyen vízjég arányú tárgyak nem jelennek meg a Naptól bizonyos távolságra elhelyezkedő helyeken. A szerzők számításai szerint, figyelembe véve a legfiatalabb Jupiter és körkörös bolygókorongjának hatásait, Callisto és Ganymede legfeljebb négy csillagászati egységből származhattak a Naptól.
A titán (a bal alsó sarokban) mérete és gravitációja nem messze található a Holdtól, de ott, ahol képződött, több fényelem volt, ezért egy viszonylag kis műhold nitrogén atmoszférája négyszer sűrűbb, mint a Földnél.
Milyen nyomokat hagyhat el a nagy Tacking a műholdakon? A légkörről szól. A munka szerzői abból a feltételezésből indultak ki, hogy a Szaturnusz holdi Titán légköre, valamint a ma légköri Jupiterianus Callisto és Ganymede légköre, tömegük és formációs zónáik kezdetben hasonlóak voltak.
Ugyanakkor a meglévő modellek becslései szerint a Titán atmoszférája, amely négyszer sűrűbb, mint a Földé, gravitációval elveszíthető legkorábban, mint egy hetvenes év. Még ha a Jupiter műholdainál is ez a szám többször csökken, egy ilyen légkört egyszerűen nem tudnák elveszíteni a Naprendszer élettartama alatt. Ezért a tudósok azt sugallták, hogy a műholdak felmelegedése, amelyet a gáz óriás dagályának árapálya okozott, kulcsszerepet játszott a légkör elvesztésében.
Ugyanakkor a ragasztás nélküli modellezés azt mutatta, hogy a hatalmas gravitációs mező ellenére a Jupiter csak a bolygóhoz közeli műholdakban, például az Io-ban és az Europa-ban tudta biztosítani a gázburok melegítését és veszteségét. Ganymede és Callisto azonban a Jupiter közelében fekvő elsődleges korong "hó vonalának" mögött lennének, és a fűtés miatt nem tudnák elveszíteni a légkört.
Nyilvánvaló, hogy a Callisto gazdag fényelemekben (például a Titanban), és még jég alatti óceánnal rendelkezik, de nincs jelentős légköre.
Amikor a mű szerzői bevezették a nagy manőverezés hatásait modellezésükbe, a Jupiter tárcsáját 1,5 AU-n helyezte el. a Naptól, ahol tízszer több napsugárzás érkezik, a helyzet megváltozott.
A modern adatok szerint életének első millió évében a Nap 100–10 000-szer több röntgen- és ultraibolya sugárzást bocsátott ki, mint amennyit jelenleg kibocsát. Egy nitrogén atmoszférájú test, például a jelenlegi Föld vagy a Titán ilyen körülmények között elkerülhetetlenül elvesztette gázburkolatát. A tény az, hogy az ilyen sugárzás fotonjainak energiája sokkal nagyobb, mint a látható fényé, és ezeket abszorbeálva a nitrogénrészecskéknek másodpercenként több kilométer sebességet kell felvenniük és el kell hagyniuk a légkört. A szerzők számításai szerint ilyen körülmények között a Föld primer nitrogén atmoszférája csak néhány millió év alatt elveszne. És olyan testek, mint Ganymede és Callisto 1,5 AU pályán. még gyorsabban el kellett volna veszítenie a légkört.
Ez a következtetés kedvezően megkülönbözteti a nagy manőverezési modellt annak a feltevésből, hogy a bolygó pályái változatlanok maradnak. Ez utóbbi keretein belül nagyon nehéz elképzelni, hogy a Jupiter műholdasai pontosan hogyan veszítik el a légkörüket anélkül, hogy az út mentén elvesztenék a vízjeget.
A Titannak saját légköre van
Annak magyarázata, hogy ezekben a körülmények között miért nem veszítette el a titán légköre, a Saturnnal együtt 2 AU-ban. a Naptól a szerzők a Saturn primer körgyűrűs korongjának modellezésével kapott adatokra támaszkodtak. Szerinte a Titan, mint műhold, nem alakulhatott ki a nagy manőverezés előtt. A Naprendszer bolygói, amint azt az exoplanetáris rendszerekben is láthatjuk, különböző sebességgel alakultak ki, és amikor a legtömegesebbek (Jupiter) már befejezték ezt a folyamatot, a Szaturnusz még nem „szerzett meg” tömegének körülbelül 10 százalékát. Ez azt jelenti, hogy a nagy manőverezés idején még mindig aktívan abszorbeálta az anyagot a körgyűrűs korongjából. Ilyen körülmények között Titan, ha létezne abban a pillanatban, biztosan a Szaturnuszra esne. Következésképpen, Eller arra a következtetésre jut, hogy a valóságban a Titan csak néhányszázezer évvel alakult volna meg a manőverezés befejezése után.
Hogyan volt a Föld nitrogén atmoszférája ilyen körülmények között? A szerzők rámutattak, hogy számos más mű szerint a Föld primer légkörében, jelentős gravitációjával, sok szén-dioxid található, amely teljesen más módon kölcsönhatásba lép az energetikai fotonokkal, és abszorpciójuk után hatékonyan képes újra leadni a kapott energiát az űrbe, lehűtve az akkori föld légkörének felső rétegeit. …
A csillagászok arra a következtetésre jutottak, hogy a Naprendszer jelenlegi konfigurációjában szinte lehetetlen javaslatot tenni egy másik forgatókönyvre, amelyben az óriásbolygók egyes műholdjainak atmoszférája négyszer olyan sűrű, mint a Földnek, míg másoknak egyáltalán nincs. De a nagy manőverező hipotézis keretében a Jupiter és a Szaturnusz műholdainak jelenlegi megjelenése sokkal sikeresebben magyarázható, mint ha feltételezzük, hogy mindkét bolygó soha nem vándorolt a Napba és vissza.
Ugyanakkor a hipotézisnek számos megoldatlan problémája van. A legfontosabb az, hogy rendkívül nehéz teljes mértékben ellenőrizni. Túl sokat változott rendszerünkben az elmúlt 4,5 milliárd év alatt, és sok fontos tényező, amelyek befolyásolták a történelem korai időszakát, csak közvetett módon állíthatók helyre. Nem csak a migrációs folyamatok sebességéről van szó, amely erősen függött az ősi körbejáró protoplanetáris felhő nem teljesen tiszta sűrűségétől. Számos modell arra készteti bennünket, hogy feltételezzük, hogy az akkori vándorlások során a gázipari óriások gravitációs kölcsönhatás révén egy vagy két nagy bolygót kilökhetnek a Naprendszerből, és ebben az esetben a megfigyelt testek nem adnak teljes körű információt a múltbeli eseményekről. A hipotézis teljesebb megerősítéséhez részletesebb megfigyelési adatokra van szükség ugyanazon Ganymede és Callisto esetében, amelyet Eller csoport reméli, hogy megkap a JUpiter ICy holdak Explorer (JUICE) európai űrjárműtől, amely a Jupiter holdjaiba utazik 2022-2030-ban.
Borisz Alexandrov