Според хипотезата на Големия маневр, едно време Юпитер е пътувал през Слънчевата система, събуждайки хаоса със своята гравитация. Тази хипотеза все още не е напълно приета от научната общност поради сложността й, но в последно време се появиха нови доказателства в нейна полза.
Астрономите, водени от Рене Хелер от университета Макмастър, са публикували съответния предпечат на arXiv.org, а самата книга вече е приета за публикуване в Astronomy & Astrophysics. За да разберат по-добре защо учените се нуждаят от такава хипотеза, има няколко важни въпроса, които трябва да бъдат разгледани първо.
Необичайна система
До съвсем скоро структурата на Слънчевата система не повдигаше въпроси: просто нямаше с какво да се сравнява. Вярно е, че съществуващите модели на формиране на планети от протопланетен облак не дават картината, която се наблюдава от астрономите на практика, но това се приписва на несъвършенството на самите модели. Първите открития на екзопланети през 90-те години на миналия век не повлияха особено на ситуацията: пробата беше малка, имаше малко екзопланети.
През 2009 г. е пуснат в експлоатация телескопът Kepler, основната цел на който беше именно търсенето на екзопланети. Към 2015 г. НАСА е регистрирала повече от 4 хиляди кандидат-планети, видени от космическия кораб. И след първата хиляда от тях стана ясно, че нашата звездна система е много далеч от типичната.
Първо, ние имаме четири планети с размер на Земята или по-малко, а не една суперземля - тела с радиус 1,25-2,00 пъти повече от Земята. В същото време в звездната система, изследвана от нашите телескопи, суперземлите, напротив, са един и половина пъти по-големи от така наречените „планети с размер на Земята“.
Повечето от 800-те „земни планети“(вляво) всъщност имат радиус, малко по-голям от нашата планета, и в маса я превишават от 1,5 до 17 пъти; Земята, Венера, Марс и Меркурий са значително по-леки от типичните твърди планети на други системи
Промоционално видео:
Цитатите тук не са случайни: този клас включва всички тела с радиус по-малък от 1,25 Земя. Но повечето от тях са по-големи от нашата планета и значително по-тежки от нея (например Kepler-10c е 17 пъти по-масивен от Земята). Имаше разбиране, че развитието на планетарната система около Слънцето върви по някакъв друг начин, отколкото в екзопланетарните системи със суперземли.
Второ, в повечето от познатите в момента системи газови гиганти са много по-близо до централната звезда, отколкото нашите Юпитер и Сатурн. Понякога дори по-близо до Меркурий. Гиганти не биха могли да възникнат на такова място - излъчването на звезда просто би предотвратило формирането на планетите. Това означава, че учените стигат до заключението, че гигантите се формират далеч от звездата, но след това те се забавят от веществото, останало от протопланетарния диск, придвижвайки се до орбитите по-близо.
В нашата система обаче забавянето на скоростта, ако имаше, имаше съвсем различни последици - гигантските планети все още са разположени доста далеч от Слънцето.
Време е за миграция
И през 2010 г. групата на Кевин Уолш изложи хипотеза, която обяснява както липсата на свръхземи в Слънчевата система, така и относителната отдалеченост на газовите гиганти от едно и също събитие - така наречената хипотеза за Гранд Так.
Според Уолш, когато Слънчевата система е била от 1 до 10 милиона години, а земните планети все още не са се образували, Юпитер е мигрирал от орбита от 3,5 астрономически единици (приблизително 525 милиона километра от Слънцето, една астрономическа единица е равна на средното разстояние от Земята до Слънцето) в орбита от 1,5 астрономически единици, където сега е Марс. Там гигантската планета спря, вероятно поради гравитацията на Сатурн, която мигрира след Юпитер в орбита 2 астрономически единици от Слънцето. След това гигантът започва бавно да се движи назад, докато не се върне към сегашната си орбита от 5 астрономически единици.
Ако не беше миграцията на Юпитер и Сатурн, която е отнесена от него, към Слънцето и обратно, вътрешната област на Слънчевата система (отгоре) би изглеждала така сега (отдолу).
Хипотезата на Великия маневриране уместно обясни много изключително необичайни характеристики на Слънчевата система. Юпитер по време на пътуването си до Слънцето и обратно трябваше да изчисти мястото на образуване на земните планети от „излишната“маса на газ и прах, като ги лиши от възможността да станат суперземли. В същото време местата, където Марс и астероидният пояс се образуват най-силно засегнати от гравитацията на гигантската планета, което доведе до тяхната необичайно малка (а тя е, от гледна точка на еволюцията на Слънчевата система, такава) маса.
Но при цялата привлекателност на хипотезата тя изглежда доста сложна, поради което много астрономи все още се съмняват в нейната правота. В новото произведение Рене Елер и съавторите решиха да тестват какъв ефект може да има Големият маневринг върху луните на Юпитер. Идеята им е проста: необходимо е да се симулира развитието на Слънчевата система с и без маневриране и след това да се сравнят резултатите. Ако симулацията с маневриране прилича повече на истината, това означава, че новата работа ще бъде още едно доказателство за хипотезата. Ако без маневриране, тогава да бъде така - това означава, че хипотезата за мигриращ Юпитер е твърде екзотична.
Най-голям интерес за подобни симулации са Ганимед и Калисто, две големи луни на Юпитер, половин вода и половина твърди. Факт е, че ако хипотезата за маневриране е правилна, тогава и двете тела би трябвало да са се образували преди самото маневриране: обекти с такава пропорция воден лед не се появяват на места, които са по-близо до определено разстояние от Слънцето. Според изчисленията на авторите, като се вземе предвид влиянието на най-младия Юпитер и неговия планетен диск, Калисто и Ганимед могат да възникнат не по-близо от 4 астрономически единици от Слънцето.
Титанът (в долния ляв ъгъл) не е далеч от Луната по размер и гравитация, но там, където се е образувал, имаше повече светлинни елементи, така че сравнително малък сателит има азотна атмосфера, четири пъти по-гъста от Земята.
Какви следи би могъл да остави великият Tacking на спътниците? Всичко е за атмосферата. Авторите на работата изхождат от предположението, че атмосферата на лунния титан на Сатурн, а сега и атмосферните Юпитериански Калисто и Ганимед, първоначално са били сходни, както и техните маси и зони на формиране.
В същото време оценките на съществуващите модели казват, че атмосферата на Титан, която е четири пъти по-плътна от тази на Земята, може да бъде загубена от гравитацията не по-рано от септилионни години. Дори ако за спътниците на Юпитер тази цифра е намалена няколко пъти, такава атмосфера просто не би могла да бъде загубена от тях по време на живота на Слънчевата система. Затова учените предположиха, че нагряването на спътниците, причинено от приливните сили на гравитацията на газовия гигант, играе ключова роля за загубата на атмосферата.
В същото време моделирането без залепване показа, че въпреки мощното гравитационно поле, Юпитер може да осигури нагряване и загуба на газовата обвивка само в спътници, близки до тази планета, като Йо и Европа. Но Ганимед и Калисто щяха да застанат зад "снежната линия" на първичния близко юпитерийски диск и нямаше да могат да загубят атмосферата поради нагряване.
Явно Калисто е богат на леки елементи (като Титан) и дори има подледеният океан, но няма значителна атмосфера.
Когато авторите на работата въведоха в своето моделиране ефектите на Големия маневр, „поставиха“Юпитер с неговия диск при 1,5 AU. от Слънцето, където би получил около десет пъти повече слънчева радиация, ситуацията се е променила.
Според съвременните данни Слънцето през първите милиони години от живота си е излъчило от 100 до 10 000 пъти повече рентгенови лъчи и ултравиолетова радиация, отколкото излъчва сега. Тяло с азотна атмосфера, като настоящата Земя или Титан, при такива условия неизбежно е загубило газовата си обвивка. Факт е, че енергията на фотоните на такова излъчване е много по-висока от тази на видимата светлина и, като ги абсорбира, азотните частици трябваше бързо да получат скорост от няколко километра в секунда и да напуснат атмосферата. Според изчисленията на авторите при такива условия първичната азотна атмосфера на Земята ще бъде загубена само за няколко милиона години. И тела като Ганимед и Калисто в орбита от 1,5 AU. трябваше да загубят атмосферата си още по-бързо.
Този извод благоприятно отличава модела на Големия маневриране от предположението, че планетарните орбити остават непроменени. В рамките на последното е много трудно да си представим как точно сателитите на Юпитер могат да загубят атмосферата си, без да губят воден лед по пътя.
Титан има своя атмосфера
За да обясня защо при тези условия Титан не загуби атмосферата си, заедно със Сатурн в 2 AU. от Слънцето, авторите са черпили данни от моделирането на първичния околопланетен диск на Сатурн. Според него Титан като спътник не би могъл да се формира преди Големия маневр. Планетите на Слънчевата енергия, точно както виждаме в екзопланетарните системи, са се образували с различна скорост и когато най-масовият (Юпитер) вече е завършил този процес, Сатурн все още не е „натрупал“около 10 процента от масата си. Това означава, че по времето на Великия маневриране, той все още активно поглъщаше материята от своя планетарен диск. При такива условия Титан, ако съществуваше в този момент, със сигурност щеше да падне към Сатурн. Ето защо, заключава Елър, в действителност Титан можеше да се формира само няколкостотин хиляди години след завършването на маневрирането.
Как Земята имаше азотна атмосфера при такива условия? Авторите посочват, че според редица други произведения, в първичната атмосфера на Земята с нейната значителна гравитация е имало много въглероден диоксид, който взаимодейства по съвсем различен начин с енергийните фотони и след абсорбцията им може ефективно да преизлъчи получената енергия в космоса, охлаждайки горните слоеве на тогавашната земна атмосфера …
Астрономите стигат до извода, че в сегашната конфигурация на Слънчевата система е почти невъзможно да се предложи друг сценарий, при който някои спътници на гигантските планети имат атмосфера четири пъти по-плътна от Земята, докато други изобщо нямат такава. Но в рамките на хипотезата за Голямото маневриране, сегашната поява на спътниците на Юпитер и Сатурн може да се обясни много по-успешно, отколкото ако приемем, че и двете тези планети никога не са мигрирали към Слънцето и обратно.
И в същото време хипотезата има много нерешени проблеми. Ключовото е, че е изключително трудно да се провери напълно. Прекалено много се е променило в нашата система през последните 4,5 милиарда години и много важни фактори, повлияли на ранния период от нейната история, могат да бъдат възстановени само косвено. Не става въпрос само за скоростта на миграционните процеси, която силно зависи от не съвсем ясната плътност на древния циркуларен протопланетен облак. Редица модели ни принуждават да приемем, че по време на миграциите през това време газовите гиганти чрез гравитационно взаимодействие биха могли да изхвърлят една или две големи планети от Слънчевата система и в този случай телата, които наблюдаваме, може да не дават напълно изчерпателна информация за събитията от миналото. За по-пълно потвърждаване на хипотезата са необходими по-пълни данни за наблюдението на същите Ганимед и Калисто, които групата на Елер се надява да получи от европейския космически кораб JUpiter ICy луна Explorer (JUICE), който ще пътува до луните на Юпитер през 2022-2030 година.
Борис Александров
