Podle velké manévrovací hypotézy Jupiter jednou prošel sluneční soustavou a způsobil svou gravitací zmatek. Tato hypotéza není vědeckou komunitou stále plně akceptována kvůli její složitosti, ale v poslední době se v její prospěch objevily nové důkazy.
Astronomové vedeni René Hellerem z McMaster University zveřejnili odpovídající předtisk na arXiv.org a samotný dokument byl již přijat k publikaci v Astronomy & Astrophysics. Abychom lépe pochopili, proč vědci potřebují takovou hypotézu, je třeba se nejprve zabývat několika důležitými otázkami.
Neobvyklý systém
Až donedávna struktura sluneční soustavy nevyvolávala žádné otázky: prostě nebylo nic, s čím by bylo možné ji porovnat. Je pravda, že stávající modely formování planet z protoplanetárního mraku nedaly obraz, který astronomové pozorují v praxi, ale to bylo přičítáno nedokonalosti samotných modelů. První objevy exoplanet v 90. letech minulého století situaci nijak zvlášť neovlivnily: vzorek byl malý, málo exoplanet.
V roce 2009 byl spuštěn Keplerův dalekohled, jehož hlavním účelem bylo přesně hledání exoplanet. Od roku 2015 NASA zaregistrovala více než 4 tisíce kandidátských planet, které kosmická loď viděla. A po prvních tisících z nich vyšlo najevo, že náš hvězdný systém není ani zdaleka typický.
Zaprvé, máme čtyři planety o velikosti Země nebo menší, a ne jediné superhmota - těla s poloměrem 1,25 až 2,00krát větší než Země. Ve hvězdných systémech zkoumaných našimi dalekohledy jsou zároveň super-země jednou a půlkrát větší než tzv. „Planety Země“.
Většina z 800 "pozemských planet" (vlevo) má ve skutečnosti poloměr o něco větší než naše planeta a ve hmotě jej překračuje 1,5 až 17krát; Země, Venuše, Mars a Merkur jsou výrazně lehčí než typické pevné planety jiných systémů
Propagační video:
Citáty zde nejsou náhodné: tato třída zahrnuje všechna těla s poloměrem menším než 1,25 Země. Ale většina z nich je větší než naše planeta a podstatně těžší než tato planeta (například Kepler-10c je 17krát hmotnější než Země). Pochopilo se, že vývoj planetárního systému kolem Slunce šel jiným způsobem než v exoplanetárních systémech se super-zeměmi.
Za druhé, ve většině dosud známých systémů jsou plynové giganty mnohem blíže k centrální hvězdě než naše Jupiter a Saturn. Někdy ještě blíž k Merkuru. Na takovém místě nemohli vzniknout obři - vyzařování hvězdy by jednoduše zabránilo formování planet. To znamená, že vědci dospěli k závěru, že obři jsou utvářeni daleko od hvězdy, ale pak jsou zpomaleni látkou zbývající z protoplanetárního disku a pohybují se blíže k oběžné dráze.
V našem systému však mělo zpomalování, pokud by existovalo, úplně jiné důsledky - obří planety se stále nacházejí docela daleko od Slunce.
Čas na migraci
A v roce 2010 skupina Kevina Walsha předložila hypotézu, která vysvětlovala jak nepřítomnost super-zemí ve sluneční soustavě, tak relativní odlehlost obrů plynu jednou a tou samou událostí - takzvanou hypotézou Great Tack Hypothesis.
Podle Walsha, když byla sluneční soustava stará od 1 do 10 milionů let a dosud se nevytvořily pozemské planety, Jupiter migroval z orbity 3,5 astronomických jednotek (přibližně 525 milionů kilometrů od Slunce, jedna astronomická jednotka se rovná průměrné vzdálenosti Země od Slunce) na orbitu 1,5 astronomických jednotek, kde je nyní Mars. Tam se obří planeta zastavila, pravděpodobně kvůli gravitaci Saturn, která migrovala po Jupiteru na orbitální 2 astronomické jednotky od Slunce. Obří se pak začal pomalu pohybovat zpět, dokud se nevrátil na svou současnou orbitu 5 astronomických jednotek.
Pokud by to nebylo pro migraci Jupiteru a Saturnu, který je jím odváděn, na Slunce a zpět, vnitřní oblast Sluneční soustavy (nahoře) by nyní vypadala takto (níže).
Velká hypotéza o manévrování vhodně vysvětlila mnoho velmi neobvyklých vlastností sluneční soustavy. Jupiter musel během své cesty na Slunce a zpět vyčistit místo vzniku pozemských planet z „extra“hmoty plynu a prachu, čímž je zbavil možnosti stát se superhmoty. Současně byla místa, kde se formoval Mars a asteroidní pás, nejvíce ovlivněna gravitací obří planety, která vedla k jejich neobvykle malé (a to je z pohledu vývoje sluneční soustavy takové) hmoty.
Ale pro celou přitažlivost hypotézy to vypadá poněkud komplikovaně, proto mnoho astronomů stále pochybuje o její správnosti. V nové práci se Rene Eller a spoluautoři rozhodli otestovat, jaký vliv může mít Velký manévrování na měsíce Jupiteru. Jejich myšlenka je jednoduchá: je nutné simulovat vývoj sluneční soustavy s manévrováním a bez manévrování a výsledky porovnat. Pokud je simulace s manévrováním spíše pravdou, znamená to, že nová práce bude dalším důkazem hypotézy. Pokud bez manévrování, tak ať už je to - znamená to, že hypotéza migrujícího Jupitera je příliš exotická.
Největší zájem o takové simulace jsou Ganymede a Callisto, dva velké satelity Jupiteru, polovina vody a napůl pevná látka. Skutečnost je taková, že pokud je hypotéza manévrování správná, měla by se obě tato těla vytvořit před samotným skutečným manévrováním: objekty s takovým podílem ledu se neobjeví na místech, která jsou blíže k určité vzdálenosti od Slunce. Podle výpočtů autorů, s přihlédnutím k vlivu nejmladšího Jupiteru a jeho cirkulačního disku, nemohly Callisto a Ganymede ze Slunce vzniknout blíže než 4 astronomické jednotky.
Titan (v levém dolním rohu) není daleko od Měsíce co do velikosti a gravitace, ale tam, kde se vytvořilo, bylo více světelných prvků, proto relativně malý satelit má čtyřikrát hustší dusík než Země.
Jaké stopy by mohl velký Tacking opustit na satelitech? Je to všechno o atmosféře. Autoři práce vycházeli z předpokladu, že atmosféra Saturnova měsíce Titan a nyní atmosférický Jupiterian Callisto a Ganymede byly zpočátku podobné, stejně jako jejich masy a formační zóny.
Odhady stávajících modelů zároveň říkají, že Titanovu atmosféru, která je čtyřikrát hustší než Země, lze gravitací ztratit nejdříve za září. I když u satelitů Jupiteru je toto číslo několikrát sníženo, takovou atmosféru jimi nemohli během života sluneční soustavy ztratit. Vědci proto navrhli, že zahřívání satelitů způsobené přílivovými silami gravitace plynového obra hraje klíčovou roli při ztrátě atmosféry.
Zároveň modelování bez řešení ukázalo, že i přes silné gravitační pole mohl Jupiter zajistit zahřívání a ztrátu plynové obálky pouze na satelitech blízkých této planetě, jako je Io a Europa. Ale Ganymede a Callisto by byli za „sněhovou linií“primárního blízkého Jupiterova disku a nemohli by kvůli zahřátí ztratit atmosféru.
Callisto je zjevně bohatý na světelné prvky (jako Titan) a dokonce má oceán pod ledem, ale nemá významnou atmosféru.
Když autoři práce představili do svého modelování účinky Velkého manévrování, „umístění“Jupitera s diskem na 1,5 AU. od Slunce, kde by přijalo asi desetkrát více slunečního záření, se situace změnila.
Podle moderních dat vyzařovalo Slunce v prvních milionech let svého života 100 až 10 000krát více rentgenových paprsků a ultrafialového záření, než nyní vyzařuje. Tělo s dusíkovou atmosférou, jako je současná Země nebo Titan, v takových podmínkách nevyhnutelně ztratilo svou plynovou obálku. Faktem je, že energie fotonů takového záření je mnohem vyšší než energie viditelného světla, a když je absorbovaly, částice dusíku musely rychle získat rychlost několik kilometrů za sekundu a opustit atmosféru. Podle výpočtů autorů by za těchto podmínek byla primární dusíková atmosféra Země ztracena za pouhých několik milionů let. A těla jako Ganymede a Callisto na oběžné dráze 1,5 AU. měla ztratit svou atmosféru ještě rychleji.
Tento závěr příznivě odlišuje model velkého manévrování od předpokladu, že planetární oběžné dráhy zůstávají nezměněny. V rámci posledně jmenovaného je velmi obtížné si představit, jak přesně by Jupiterovy satelity mohly ztratit svou atmosféru, aniž by po cestě ztratily vodní led.
Titan má svou vlastní atmosféru
Aby vysvětlil, proč za těchto podmínek Titan neztratil svou atmosféru společně se Saturnem ve 2 AU. od Slunce, autoři čerpali z dat z modelování primárního cirkumplanetárního disku Saturn. Podle toho se Titan jako satelit nemohl vytvořit před Velkým manévrováním. Planety Slunce, jak vidíme v exoplanetárních systémech, byly tvořeny různými rychlostmi, a když nejmasivnější (Jupiter) tento proces již dokončili, Saturn ještě „nezískal“asi 10 procent své hmotnosti. To znamená, že v době velkého manévrování stále aktivně absorbovala hmotu ze svého cirkulačního disku. Za takových podmínek by Titan, pokud v té chvíli existoval, určitě spadl na Saturn. Eller proto dochází k závěru, že Titan se ve skutečnosti mohl utvořit jen pár set tisíc let po dokončení manévrování.
Jak měla Země v takových podmínkách dusíkovou atmosféru? Autoři poukazují na to, že podle řady dalších prací byla v primární atmosféře Země s její významnou gravitací spousta oxidu uhličitého, který interaguje s energetickými fotony úplně jiným způsobem, a po jejich absorpci by mohl účinně re-emise přijaté energie do vesmíru a ochlazení horních vrstev tehdejší zemské atmosféry …
Astronomové docházejí k závěru, že v současné konfiguraci sluneční soustavy je téměř nemožné navrhnout další scénář, ve kterém některé satelity obřích planet mají atmosféru čtyřikrát hustší než Země, zatímco jiné ji vůbec nemají. Ale v rámci hypotézy Velké manévrování lze současný vzhled satelitů Jupiter a Saturn vysvětlit mnohem úspěšněji, než kdybychom předpokládali, že obě tyto planety nikdy nemigrovaly na Slunce a zpět.
A zároveň má hypotéza mnoho nevyřešených problémů. Klíčovým je stále to, že je velmi obtížné jej úplně ověřit. V našem systému se za posledních 4,5 miliardy let změnilo příliš mnoho a mnoho důležitých faktorů, které ovlivnily rané období jeho historie, lze obnovit pouze nepřímo. Nejde jen o rychlost migračních procesů, které silně závisely na ne zcela jasné hustotě starověkého oběžného protoplanetárního mraku. Řada modelů nás nutí předpokládat, že v průběhu tehdejších migrací mohli plynoví obři gravitační interakcí vypustit jednu nebo dvě velké planety ze sluneční soustavy, a v tomto případě nemusí pozorovaná těla poskytnout úplně vyčerpávající informace o minulých událostech. Pro úplnější potvrzení hypotézy jsou zapotřebí úplnější pozorovací údaje pro stejné Ganymede a Callisto, které Ellerova skupina doufá, že obdrží od evropské kosmické lodi JUpiter ICy měsíce Explorer (JUICE), která má cestovat do měsíců Jupiteru v letech 2022-2030.
Boris Alexandrov