Conform ipotezei Marii Manevre, odată, Jupiter a călătorit prin sistemul solar, semănând haosul cu gravitatea sa. Această ipoteză nu este încă acceptată pe deplin de comunitatea științifică datorită complexității sale, dar, mai recent, au apărut noi dovezi în favoarea sa.
Astronomii conduși de René Heller de la Universitatea McMaster au postat amprenta corespunzătoare pe arXiv.org, iar lucrarea în sine a fost deja acceptată pentru publicare în Astronomy & Astrophysics. Pentru a înțelege mai bine de ce oamenii de știință au nevoie de o astfel de ipoteză, există mai multe întrebări importante care trebuie abordate mai întâi.
Sistem neobișnuit
Până de curând, structura sistemului solar nu a ridicat nicio întrebare: pur și simplu nu exista nimic cu care să-l comparăm. Adevărat, modelele existente de formare a planetelor dintr-un nor protoplanetar nu au dat imaginea observată de astronomi în practică, dar acest lucru a fost atribuit imperfecțiunii modelelor în sine. Primele descoperiri ale exoplanetelor din anii 90 ai secolului trecut nu au afectat în special situația: eșantionul a fost mic, au fost puține exoplanete.
În 2009 a fost pus în funcțiune telescopul Kepler, scopul principal fiind căutarea exoplanetelor. Începând cu 2015, NASA a înregistrat peste 4 mii de planete candidate văzute de navele spațiale. Și după primele mii dintre ele, a devenit clar că sistemul nostru stelar este foarte departe de tipic.
În primul rând, avem patru planete de dimensiunea Pământului sau mai puțin, și nu un singur supra-pământ - corpuri cu o rază de 1,25-2,00 ori Pământul. În același timp, în sistemele stelare examinate de telescoapele noastre, supra-pământurile sunt, dimpotrivă, de o dată și jumătate mai mari decât așa-numitele „planete de dimensiunea Pământului”.
Majoritatea celor 800 de „planete terestre” (stânga) au de fapt o rază ceva mai mare decât planeta noastră, iar în masă o depășesc de 1,5 până la 17 ori; Pământul, Venus, Marte și Mercur sunt semnificativ mai ușoare decât planetele solide tipice ale altor sisteme
Video promotional:
Citatele de aici nu sunt întâmplătoare: această clasă include toate corpurile cu o rază mai mică de 1,25 Pământ. Dar majoritatea sunt mai mari decât planeta noastră și semnificativ mai grele decât ea (de exemplu, Kepler-10c este de 17 ori mai masiv decât Pământul). S-a înțeles că dezvoltarea sistemului planetar în jurul Soarelui a mers într-un alt mod decât în sistemele exoplanetare cu super-pământuri.
În al doilea rând, în majoritatea sistemelor cunoscute în prezent, gigantii gazului sunt mult mai apropiați de steaua centrală decât Jupiter și Saturn. Uneori chiar mai aproape de Mercur. Giganții nu puteau apărea într-un astfel de loc - radiația unei stele ar împiedica pur și simplu formarea planetelor. Acest lucru înseamnă, au concluzionat oamenii de știință, că uriașii sunt formați departe de stea, însă aceștia sunt încetiniți de substanța rămasă de pe discul protoplanetar, deplasându-se pe orbitele mai aproape.
Cu toate acestea, în sistemul nostru, decelerația, dacă a existat, a avut consecințe complet diferite - planetele gigant sunt încă situate destul de departe de Soare.
Timpul de a migra
Și în 2010, grupul lui Kevin Walsh a prezentat o ipoteză care a explicat atât absența supra-pământurilor în sistemul solar, cât și distanța relativă a gigantilor de gaze de către același eveniment - așa-numita Ipoteză Grand Tack.
Potrivit lui Walsh, când sistemul solar avea de la 1 la 10 milioane de ani și planetele terestre nu s-au format încă, Jupiter a migrat de pe o orbită de 3,5 unități astronomice (aproximativ 525 milioane de kilometri de Soare, o unitate astronomică este egală cu distanța medie de la Pământ la Soare) pe o orbită de 1,5 unități astronomice, unde se află acum Marte. Acolo, planeta uriașă s-a oprit, probabil din cauza gravitației lui Saturn, care a migrat după Jupiter într-o orbită 2 unități astronomice de la Soare. Gigantul a început apoi să se deplaseze încet înapoi până când a revenit pe orbita sa actuală de 5 unități astronomice.
Dacă nu ar fi pentru migrația lui Jupiter și Saturn, care este transportat de acesta, către Soare și înapoi, regiunea interioară a Sistemului Solar (mai sus) ar arăta astfel acum (mai jos).
Marea ipoteză de manevră a explicat în mod adecvat multe caracteristici extrem de neobișnuite ale sistemului solar. Jupiter, în timpul călătoriei sale către Soare și înapoi, a trebuit să șteargă locul de formare a planetelor terestre de masa „în plus” de gaz și praf, lipsindu-i de posibilitatea de a deveni super-pământeni. În același timp, locurile în care s-au format Marte și centura de asteroizi au fost cel mai mult afectate de gravitatea planetei uriașe, ceea ce a dus la anormala lor mică (și este, din punctul de vedere al evoluției sistemului solar, o astfel de masă).
Dar, pentru toată atractivitatea ipotezei, pare destul de complicat, motiv pentru care mulți astronomi încă se îndoiesc de corectitudinea acesteia. În noua lucrare, Rene Eller și coautorii au decis să testeze ce efect poate avea Marea Manevră asupra lunilor lui Jupiter. Ideea lor este simplă: este necesară simularea dezvoltării sistemului solar cu și fără manevră și apoi se compară rezultatele. Dacă simularea cu manevra seamănă mai mult cu adevărul, înseamnă că noua lucrare va fi o altă dovadă a ipotezei. Dacă fără să manevrezi, atunci să fie așa - înseamnă că ipoteza unui Jupiter migrator este prea exotică.
Cel mai mare interes pentru astfel de simulări sunt Ganymede și Callisto, doi sateliți mari ai Jupiterului, jumătate de apă și jumătate solidă. Cert este că, dacă ipoteza de manevră este corectă, atunci aceste două corpuri ar fi trebuit să se formeze înainte de manevra propriu-zisă: obiectele cu o astfel de proporție de gheață de apă nu apar în locuri care sunt mai aproape de o anumită distanță de Soare. Conform calculelor autorilor, ținând cont de influența celui mai tânăr Jupiter și a discului său circumplanetar, Callisto și Ganymede nu ar putea apărea la mai mult de 4 unități astronomice de la Soare.
Titan (în colțul din stânga jos) nu este departe de Lună ca mărime și gravitate, dar acolo unde s-a format erau mai multe elemente ușoare, prin urmare, un satelit relativ mic are o atmosferă de azot de patru ori mai densă decât Pământul.
Ce fel de urme ar putea lăsa marele Tacking pe sateliți? Este vorba despre atmosferă. Autorii lucrării au pornit de la presupunerea că atmosfera Titanului lunii lui Saturn, și acum atmosfera Jupiterian Callisto și Ganymede, au fost inițial similare, precum și masele și zonele lor de formare.
În același timp, estimările modelelor existente spun că atmosfera lui Titan, care este de patru ori mai densă decât cea a Pământului, poate fi pierdută prin gravitație nu mai devreme decât într-un septillion de ani. Chiar dacă pentru sateliții Jupiter, această cifră este redusă de mai multe ori, o astfel de atmosferă pur și simplu nu ar putea fi pierdută de aceștia în timpul vieții sistemului solar. Prin urmare, oamenii de știință au sugerat că încălzirea sateliților, cauzată de forțele de maree ale gravitației gigantului gazelor, a jucat un rol cheie în pierderea atmosferei.
În același timp, modelarea fără abordare a arătat că, în ciuda câmpului gravitațional puternic, Jupiter ar putea asigura încălzirea și pierderea plicului de gaz doar în sateliții apropiați acestei planete, precum Io și Europa. Dar Ganymede și Callisto ar fi în spatele „liniei de zăpadă” a discului primar aproape de Jupiterian și nu ar fi putut să piardă atmosfera din cauza încălzirii.
Aparent, Callisto este bogat în elemente ușoare (precum Titan) și chiar are un ocean sub gheață, dar nu are o atmosferă semnificativă.
Când autorii lucrării au introdus în modelarea lor efectele Marii manevre, „plasând” Jupiter cu discul său la 1,5 AU. de la Soare, unde ar primi de aproximativ zece ori mai multă radiație solară, situația s-a schimbat.
Conform datelor moderne, Soarele în primele milioane de ani de viață a emis de 100 până la 10.000 de ori mai multe raze X și radiații ultraviolete decât emite acum. Un corp cu o atmosferă de azot, cum ar fi actualul Pământ sau Titan, în astfel de condiții și-a pierdut inevitabil plicul de gaz. Cert este că energia fotonilor unei astfel de radiații este mult mai mare decât cea a luminii vizibile și, după ce le-a absorbit, particulele de azot au trebuit să câștige rapid viteza de câțiva kilometri pe secundă și să părăsească atmosfera. Conform calculelor autorilor, în asemenea condiții, atmosfera primară de azot a Pământului s-ar pierde în doar câteva milioane de ani. Și corpuri precum Ganymede și Callisto pe o orbită de 1,5 AU. ar fi trebuit să-și piardă atmosfera și mai repede.
Această concluzie distinge favorabil modelul Marii manevre de presupunerea că orbitele planetare rămân neschimbate. În cadrul acestora din urmă, este foarte dificil să ne imaginăm cum exact sateliții lui Jupiter și-ar putea pierde atmosfera fără a pierde gheața cu apă pe parcurs.
Titan are propria atmosferă
Pentru a explica de ce, în aceste condiții, Titan nu și-a pierdut atmosfera, împreună cu Saturn în 2 AU. de la Soare, autorii au atras date din modelarea discului circumplanetar primar al lui Saturn. Potrivit acesteia, Titan ca satelit nu se putea forma înainte de Marea Manevră. Planetele Solarei, așa cum vedem în sistemele exoplanetare, s-au format la viteze diferite, iar când cele mai masive (Jupiter) au finalizat deja acest proces, Saturn încă nu „câștigase” aproximativ 10 la sută din masa sa. Aceasta înseamnă că, până la vremea Marii Manevre, încă absorbea activ materia din discul său circumplanetar. În asemenea condiții, Titan, dacă ar exista în acel moment, cu siguranță ar cădea la Saturn. Prin urmare, Eller concluzionează, în realitate, Titan ar fi putut forma doar câteva sute de mii de ani după finalizarea manevrei.
Cum a avut Pământul o atmosferă de azot în astfel de condiții? Autorii subliniază că, în conformitate cu o serie de alte lucrări, în atmosfera primară a Pământului, cu gravitația sa semnificativă, exista o mulțime de dioxid de carbon, care interacționează într-un mod complet diferit cu fotonii energetici, iar după absorbția lor ar putea re-emite eficient energia primită în spațiu, răcirea straturilor superioare ale atmosferei de atunci. …
Astronomii ajung la concluzia că, în configurația actuală a sistemului solar, este aproape imposibil să propunem un alt scenariu în care unii sateliți ai planetelor gigant să aibă o atmosferă de patru ori mai densă decât Pământul, în timp ce alții nu o au deloc. Dar în cadrul ipotezei Marii Manevre, apariția actuală a sateliților din Jupiter și Saturn poate fi explicată cu mult mai mult succes decât dacă presupunem că ambele planete nu au migrat niciodată către Soare și înapoi.
Și, în același timp, ipoteza are multe probleme nerezolvate. Cea mai importantă este încă faptul că este extrem de dificil să o verificăm complet. Peste multe s-au schimbat în sistemul nostru în ultimii 4,5 miliarde de ani și mulți factori importanți care au influențat perioada timpurie a istoriei sale nu pot fi restabiliți decât indirect. Nu este vorba doar de viteza proceselor de migrare, care depindea cu tărie de densitatea nu foarte clară a vechiului nor protoplanetar circumsolar. O serie de modele ne obligă să presupunem că, în timpul migrațiilor din acea vreme, gigantii gazului ar fi putut expulza unul sau două planete mari din sistemul solar prin interacțiune gravitațională, iar în acest caz, corpurile pe care le observăm s-ar putea să nu ofere informații complet exhaustive despre evenimentele din trecut. Pentru o confirmare mai completă a ipotezei, sunt necesare date de observare mai complete pentru aceleași Ganymede și Callisto, pe care grupul lui Eller speră să le primească de la navele spațiale europene JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE), care urmează să călătorească în lunile Jupiter în 2022-2030.
Boris Alexandrov
