Prema Velikoj manevrskoj hipotezi, Jupiter je svojedobno putovao Sunčevim sustavom, vukući pustoš svojom gravitacijom. Ova hipoteza još uvijek nije u potpunosti prihvaćena od strane znanstvene zajednice zbog njezine složenosti, ali u posljednje vrijeme pojavili su se novi dokazi u njenu korist.
Astronomi pod vodstvom René Heller sa Sveučilišta McMaster objavili su odgovarajući pretisak na arXiv.org, a sam rad već je prihvaćen za objavljivanje u Astronomy & Astrophysics. Da bi bolje shvatili zašto znanstvenicima treba takva hipoteza, postoji nekoliko važnih pitanja koja je potrebno prvo riješiti.
Neobičan sustav
Donedavno struktura Sunčevog sustava nije postavljala nikakva pitanja: jednostavno nije bilo s čime usporediti. Istina, postojeći modeli stvaranja planeta iz protoplanetarnog oblaka nisu dali sliku kakvu astronomi promatraju u praksi, već se to pripisalo nesavršenosti samih modela. Prva otkrića egzoplaneta 90-ih godina prošlog stoljeća nisu osobito utjecala na situaciju: uzorak je bio mali, bilo je malo egzoplaneta.
2009. godine pušten je u rad teleskop Kepler, čija je glavna svrha bila upravo potraga za egzoplanetima. Od 2015. godine, NASA je registrirala više od 4 tisuće planeta kandidata koje vidi svemirski brod. I nakon prvih tisuću njih postalo je jasno da je naš zvjezdani sustav vrlo daleko od tipičnog.
Prvo, imamo četiri planeta veličine Zemlje ili manje, a ne jedan super-zemlja - tijela s polumjerom 1,25-2,00 puta veća od Zemlje. Istodobno, u zvjezdanim sustavima koje su pregledali naši teleskopi, super-zemlja, naprotiv, jedan i pol puta su veća od takozvanih "planeta veličine Zemlje".
Većina od 800 "zemaljskih planeta" (lijevo) zapravo ima polumjer nešto veći od našeg planeta, a u masi ga prelaze od 1,5 do 17 puta; Zemlja, Venera, Mars i Merkur znatno su lakši od tipičnih čvrstih planeta drugih sustava
Promotivni video:
Navodi ovdje nisu slučajni: ova klasa uključuje sva tijela s radijusom manjim od 1,25. Ali većina ih je veća od našeg planeta i znatno je teža od njega (na primjer, Kepler-10c je 17 puta masivniji od Zemlje). Postojalo je razumijevanje da razvoj planetarnog sustava oko Sunca ide na neki drugi način nego u egzoplanetarni sustav sa super-zemljom.
Drugo, u većini trenutno poznatih sustava plinski divovi mnogo su bliži središnjoj zvijezdi od naših Jupitera i Saturna. Ponekad čak i bliže Merkuru. Divovi se ne bi mogli pojaviti na takvom mjestu - zračenje neke zvijezde jednostavno bi spriječilo da se planeti formiraju. To znači, zaključili su znanstvenici, da su divovi formirani daleko od zvijezde, a zatim ih usporava tvar koja ostaje iz protoplanetarnog diska, prelazeći bliže u orbitu.
Međutim, u našem sustavu usporavanje je, ako je postojalo, imalo potpuno drugačije posljedice - divovski planeti i dalje su prilično udaljeni od Sunca.
Vrijeme je za migraciju
A 2010. godine, grupa Kevina Walsha iznijela je hipotezu koja je objasnila i odsustvo super-zemlja u Sunčevom sustavu, kao i relativnu udaljenost plinskih divova istim događajem - takozvanom hipotezom Grand Tack-a.
Prema Walshu, kada je Sunčev sustav bio star od 1 do 10 milijuna godina, a zemaljski planeti još nisu bili formirani, Jupiter je migrirao iz orbite 3,5 astronomskih jedinica (otprilike 525 milijuna kilometara od Sunca, jedna astronomska jedinica jednaka je prosječnoj udaljenosti od Zemlje do Sunca) u orbitu 1,5 astronomskih jedinica, gdje se sada nalazi Mars. Tu se zaustavio divovski planet, vjerojatno zbog gravitacije Saturna, koji je nakon Jupitera migrirao u orbitu 2 astronomske jedinice sa Sunca. Tada se div počeo polako kretati natrag sve dok se nije vratio u svoju trenutnu orbitu od 5 astronomskih jedinica.
Da nije bilo migracije Jupitera i Saturna, koje ga on nosi, ka Suncu i natrag, unutarnja regija Sunčevog sustava (gore) izgledala bi ovako (sada) ispod.
Velika manevrska hipoteza prikladno je objasnila mnoge vrlo neobične značajke Sunčevog sustava. Jupiter je tijekom putovanja ka Suncu i natrag morao očistiti mjesto formiranja zemaljskih planeta od "dodatne" mase plina i prašine, uskraćujući im priliku da postanu super-zemaljski. Istodobno su mjesta na kojima su nastali Mars i asteroidni pojas najviše pod utjecajem gravitacije divovskog planeta, što je dovelo do njihove nenormalno male (i to je, s gledišta evolucije Sunčevog sustava, takvog) mase.
No, s obzirom na svu privlačnost hipoteze, izgleda prilično komplicirano, zbog čega mnogi astronomi i dalje sumnjaju u njenu ispravnost. U novom djelu Rene Eller i koautori odlučili su testirati kakav bi utjecaj Veliki Manevri mogao imati na Mjesečeve Jupitere. Njihova je ideja jednostavna: potrebno je simulirati razvoj Sunčevog sustava sa i bez manevara, a zatim usporediti rezultate. Ako je simulacija manevriranja više nalik istini, to znači da će novi rad biti još jedan dokaz hipoteze. Ako bez manevarstva, neka bude tako - to znači da je hipoteza migracijskog Jupitera previše egzotična.
Najveće zanimanje za takve simulacije su Ganymede i Callisto, dva velika satelita Jupiter, pola vode i pola krutosti. Činjenica je da ako je manevrirajuća hipoteza tačna, tada bi se oba ova tijela trebala formirati prije samog stvarnog manevara: objekti s takvim udjelom vodenog leda ne pojavljuju se na mjestima koja su bliža određenoj udaljenosti od Sunca. Prema proračunima autora, uzimajući u obzir utjecaj najmlađeg Jupitera i njegovog planetarnog diska, Callisto i Ganymede mogli bi se stvoriti ne bliže od 4 astronomske jedinice sa Sunca.
Titan (u donjem lijevom kutu) nije daleko od Mjeseca po veličini i gravitaciji, ali tamo gdje se formirao bilo je više svjetlosnih elemenata, stoga relativno mali satelit ima atmosferu dušika četiri puta gušću od Zemlje.
Kakve bi tragove mogao ostaviti veliki Tacking na satelitima? Sve je u atmosferi. Autori rada polazili su od pretpostavke da su atmosfera Saturnovog mjeseca Titan, a sada atmosferski Jupiteranski Callisto i Ganymede u početku bili slični, kao i njihove mase i zone formiranja.
Istodobno, procjene postojećih modela govore da se Titanova atmosfera, koja je četiri puta gušća od Zemljine, može izgubiti gravitacijom ne prije nego u septilijonskim godinama. Čak i ako se za satelite Jupitera ta brojka smanji nekoliko puta, takvu atmosferu jednostavno ne bi mogli izgubiti tijekom života Sunčevog sustava. Stoga su znanstvenici sugerirali da je zagrijavanje satelita, uzrokovano plimnim silama gravitacije plinskog diva, igralo ključnu ulogu u gubitku atmosfere.
Istodobno, modeliranje bez lijepljenja pokazalo je da, unatoč snažnom gravitacijskom polju, Jupiter može osigurati zagrijavanje i gubitak plinske ovojnice samo u satelitima u blizini ove planete, poput Io i Europa. Ali Ganymede i Callisto stali bi iza "linije snijega" primarnog blizu jupiterovskog diska i ne bi mogli izgubiti atmosferu zbog zagrijavanja.
Navodno je Callisto bogat svjetlosnim elementima (poput Titana), pa čak i ima ocean pod ledom, ali nema značajnu atmosferu.
Kad su autori rada uveli u svoje modeliranje učinke Velikog Manevriranja, "Jupiter" je postavio svoj disk na 1,5 AU. od Sunca, gdje bi primio desetak puta više sunčevog zračenja, situacija se promijenila.
Prema modernim podacima, Sunce je u prvih milijun godina svog života emitiralo od 100 do 10 000 puta više X-zraka i ultraljubičastog zračenja nego što ga sada emitira. Tijelo s atmosferom dušika, poput sadašnje Zemlje ili Titana, u takvim je uvjetima neizbježno izgubilo plinsku ovojnicu. Činjenica je da je energija fotona takvog zračenja puno veća od energije vidljive svjetlosti, a apsorbirajući ih, čestice dušika morale su brzo dobivati brzinu od nekoliko kilometara u sekundi i napustiti atmosferu. Prema proračunima autora, u takvim bi se uvjetima primarna dušikova atmosfera na Zemlji izgubila u samo nekoliko milijuna godina. I tijela poput Ganymedeja i Callista u orbiti od 1,5 AU. trebali su izgubiti atmosferu još brže.
Ovaj zaključak povoljno razlikuje Veliki Manevrski model od pretpostavke da planetarne orbite ostaju nepromijenjene. U okviru potonjeg, vrlo je teško zamisliti kako su točno Jupiterovi sateliti mogli izgubiti atmosferu, a da pritom ne izgube vodeni led.
Titan ima svoju atmosferu
Da objasnim zašto, pod tim uvjetima, Titan nije izgubio atmosferu, zajedno sa Saturnom u 2 AU. od Sunca, autori su crpili podatke iz modeliranja primarnog cirkuplanetarnog diska Saturna. Prema njemu, Titan kao satelit nije se mogao formirati prije Velikog Manevriranja. Planeti Sunca, baš kao što to vidimo u egzoplanetarnim sustavima, formirali su se različitim brzinama, a kada je najmasovniji (Jupiter) već završio taj proces, Saturn još nije „dobio“oko 10 posto svoje mase. To znači da je u vrijeme Velikog Manevriranja još uvijek aktivno apsorbirao materiju iz svog planetarnog diska. U takvim bi uvjetima Titan, da postoji u tom trenutku, sigurno pao na Saturn. Stoga, zaključuje Eller, u stvarnosti se Titan mogao formirati tek nekoliko stotina tisuća godina nakon završetka manevra.
Kako je Zemlja imala atmosferu dušika u takvim uvjetima? Autori ističu da je, prema brojnim drugim radovima, u primarnoj atmosferi Zemlje sa njezinom značajnom gravitacijom bilo puno ugljičnog dioksida, koji interakcijom s energetskim fotonima djeluje na potpuno drugačiji način, a nakon apsorpcije, mogao bi učinkovito ponovno emitirati primljenu energiju u svemir, hladeći gornje slojeve tadašnje Zemljine atmosfere. …
Astronomi dolaze do zaključka da je u trenutnoj konfiguraciji Sunčevog sustava gotovo nemoguće predložiti drugi scenarij, u kojem neki sateliti divovskih planeta imaju atmosferu četiri puta gušću od Zemlje, dok je drugi nemaju. Ali u okviru velike hipoteze Manevriranja, današnji izgled satelita Jupitera i Saturna može se objasniti puno uspješnije nego ako pretpostavimo da obje ove planete nikada nisu migrirale na Sunce i natrag.
I istovremeno, hipoteza ima mnogo neriješenih problema. Ključno je još uvijek to što je izuzetno teško u potpunosti to provjeriti. Previše se promijenilo u našem sustavu u posljednjih 4,5 milijardi godina, a mnogi važni čimbenici koji su utjecali na rano razdoblje njegove povijesti mogu se obnoviti samo neizravno. Ne radi se samo o brzini migracijskih procesa, koja je snažno ovisila o ne sasvim jasnoj gustoći drevnog cirkularnog protoplanetarnog oblaka. Brojni modeli nas prisiljavaju na pretpostavku da su tijekom procesa migracija toga vremena plinski divovi mogli gravitacijskim interakcijama izbaciti jedan ili dva velika planeta iz Sunčevog sustava, a u ovom slučaju tijela koja promatramo ne mogu dati potpuno iscrpne informacije o prošlim događajima. Za potpuniju potvrdu hipoteze potrebni su potpuniji podaci o promatranju za iste Ganymede i Callisto, za koje se Ellerova skupina nada da će dobiti od europske svemirske letjelice JUpiter ICy Mjeseca Explorer (JUICE), koja će putovati u Mjesečeve Jupitere u 2022-2030.
Boris Alexandrov