Suuren ohjattavan hypoteesin mukaan Jupiter matkusti kerran aurinkokunnan läpi ja aiheutti tuhoa painovoimansa kanssa. Tiedeyhteisö ei vieläkään hyväksy tätä hypoteesia täysin sen monimutkaisuuden vuoksi, mutta viime aikoina uusia todisteita on ilmestynyt sen hyväksi.
McMaster-yliopiston René Hellerin johtamat tähtitieteilijät ovat lähettäneet vastaavan esipainan arXiv.org-sivulle, ja itse paperi on jo hyväksytty julkaistavaksi Astronomy & Astrophysics -julkaisussa. Jotta ymmärrettäisiin paremmin, miksi tutkijat tarvitsevat tällaisen hypoteesin, on tärkeitä kysymyksiä, joihin on ensin puututtava.
Epätavallinen järjestelmä
Aivan viime aikoihin asti aurinkokunnan rakenne ei herättänyt kysymyksiä: siihen ei yksinkertaisesti ollut mitään verrattavissa. Totta, nykyiset mallit planeettojen muodostumisesta protoplanetaarisesta pilvestä eivät antaneet kuvaa, jota tähtitieteilijät havaitsivat käytännössä, mutta tämä johtui itse mallien epätäydellisyydestä. Ensimmäiset eksoplaneettojen löytöt viime vuosisadan 90-luvulla eivät vaikuttaneet tilanteeseen erityisesti: otos oli pieni, eksoplaneettoja oli vähän.
Vuonna 2009 otettiin käyttöön Kepler-kaukoputki, jonka päätarkoitus oli juuri eksoplaneettien etsiminen. Vuodesta 2015 lähtien NASA on rekisteröinyt yli 4 000 ehdokasplaneettaa, jonka avaruusalus näkee. Ja ensimmäisen tuhannen jälkeen heistä tuli selväksi, että tähtijärjestelmämme on kaukana tyypillisestä.
Ensinnäkin, meillä on neljä maapallon kokoista planeetta tai vähemmän, eikä yhtään supermaata - kehoja, joiden säde on 1,25-2,00 -kertainen maapallon kanssa. Samaan aikaan teleskooppiemme tutkimissa tähtijärjestelmissä supermaat ovat päinvastoin puolitoista kertaa suurempia kuin ns. "Maapallon planeetat".
Suurimmalla osalla 800 "maanpäällisestä planeetasta" (vasemmalla) on todella säde, joka on hiukan suurempi kuin planeettamme, ja massa ylittää sen 1,5 - 17 kertaa; Maa, Venus, Mars ja elohopea ovat huomattavasti kevyempiä kuin muiden järjestelmien tyypilliset kiinteät planeetat
Mainosvideo:
Tässä olevat lainaukset eivät ole sattumia: tähän luokkaan kuuluvat kaikki kehot, joiden säde on alle 1,25 maata. Mutta suurin osa niistä on suurempi kuin planeettamme ja huomattavasti raskaampi kuin se (esimerkiksi Kepler-10c on 17 kertaa massiivisempi kuin Maa). Oli ymmärrystä siitä, että Auringon ympärillä olevan planeettajärjestelmän kehitys meni jollain muulla tavalla kuin eksoplanetaarisissa järjestelmissä supermaapallon kanssa.
Toiseksi, useimmissa nykyisin tunnetuissa järjestelmissä kaasujättiläiset ovat paljon lähempänä keskitähtiä kuin Jupiter ja Saturnus. Joskus jopa lähempänä Mercuria. Jättiläisiä ei voinut syntyä sellaisessa paikassa - tähden säteily estää yksinkertaisesti planeettojen muodostumista. Tämä tarkoittaa, että tutkijat päättelivät, että jättiläisiä muodostuu kaukana tähdestä, mutta silti aine, joka on jäljellä protoplanetaarisesta levystä, hidastaa niitä siirtymässä kiertoradalle lähemmäksi.
Järjestelmässämme hidastuvuudella, vaikka sitä kuitenkin olisi, olisikin täysin erilaisia seurauksia - jättiläiset planeetat sijaitsevat edelleen melko kaukana Auringosta.
Aika muuttaa
Ja Kevin Walsh -ryhmä esitti vuonna 2010 hypoteesin, joka selitti sekä supermaapallon puuttumisen aurinkojärjestelmästä että kaasujättiläisten suhteellisen etäisyyden samasta tapahtumasta - ns. Grand Tack -hypoteesistä.
Walshin mukaan kun aurinkokunta oli 1–10 miljoonaa vuotta vanha ja maanpäälliset planeetat eivät olleet vielä muodostuneet, Jupiter muutti 3,5 tähtitieteellisen yksikön kiertoradalla (noin 525 miljoonaa kilometriä auringosta, yksi astronominen yksikkö on yhtä suuri kuin keskimääräinen etäisyys maasta aurinkoon). 1,5 tähtitieteellisen yksikön kiertoradalle, missä Mars on nyt. Siellä jättiläinen planeetta pysähtyi luultavasti Saturnuksen painovoiman vuoksi, joka muutti Jupiterin jälkeen kiertoradalla 2 olevaan Auringon tähtitieteen yksiköihin. Sitten jättiläinen alkoi liikkua hitaasti taaksepäin, kunnes se palasi nykyiselle viiden tähtitieteen yksikön kiertoradalle.
Ellei Jupiterin ja sen kuljettaman Saturnuksen muuttoliikkeitä auringon ja takaisin, aurinkokunnan sisäalue (yllä) näyttäisi tältä nyt (alla).
Suuri ohjaushypoteesi selitti osuvasti aurinkokunnan monia erittäin epätavallisia piirteitä. Jupiter joutui matkalle aurinkoon ja takaisin, tyhjentämään maanpäällisten planeettojen muodostumispaikan "ylimääräisestä" kaasu- ja pölymassasta, estämällä heiltä mahdollisuuden tulla supermaiksi. Samaan aikaan paikkoihin, joissa Mars ja asteroidihihna muodostuivat, vaikutti eniten jättiläisen planeetan painovoima, mikä johti niiden epätavallisen pieneen (ja se on aurinkokunnan kehityksen kannalta tällainen) massaan.
Mutta kaiken hypoteesin houkuttelevuudesta se näyttää melko monimutkaiselta, minkä vuoksi monet tähtitieteilijät epäilevät edelleen sen oikeellisuutta. Uudessa teoksessa Rene Eller ja yhteistyökumppanit päättivät testata, mitä suurta liikettä voisi olla Jupiterin kuukaudelle. Heidän ajatuksensa on yksinkertainen: on tarpeen simuloida aurinkokunnan kehitystä liikkumisella ja ilman sitä, ja sitten verrata tuloksia. Jos simulointi ohjaamalla on enemmän kuin totuus, se tarkoittaa, että uusi työ on jälleen todiste hypoteesista. Jos ilman liikettä, niin niin olkoon - se tarkoittaa, että muuttuvan Jupiterin hypoteesi on liian eksoottinen.
Suurinta mielenkiintoa sellaisille simulaatioille ovat Ganymede ja Callisto, kaksi suurta Jupiter-kuuta, puoli vettä ja puoli kiinteää. Tosiasia on, että jos ohjaushypoteesi on oikea, niin näiden molempien kappaleiden olisi pitänyt muodostua ennen varsinaista harjoittelua: esineitä, joilla on niin suuri vesijäämäärä, ei esiinny paikoissa, jotka ovat lähempänä tiettyä etäisyyttä auringosta. Tekijöiden laskelmien mukaan ottaen huomioon nuorimman Jupiterin ja sen ympyrän planetaarisen levyn vaikutukset, Callisto ja Ganymede olisivat voineet olla peräisin vähintään 4 tähtitieteellisestä yksiköstä auringosta.
Titan (vasemmassa alakulmassa) ei ole kooltaan ja koon mukaan kaukana Kuusta, mutta missä se muodostui, siellä oli enemmän valoelementtejä, joten suhteellisen pienellä satelliitilla on typpiatmosfääri neljä kertaa tiheämpi kuin Maa.
Minkälaisia jälkiä mahtava Tacking voi jättää satelliiteihin? Kyse on ilmapiiristä. Teoksen kirjoittajat ovat lähteneet oletuksesta, että Saturnuksen kuun Titan ilmapiiri ja nykyään ilmakehän Jupiterian Callisto ja Ganymede olivat alun perin samanlaiset, samoin kuin niiden massat ja muodostumisalueet.
Samaan aikaan arvio olemassa olevista malleista sanoo, että Titanin ilmapiiri, joka on neljä kertaa tiheämpi kuin Maan, voidaan kadottaa gravitaation avulla aikaisintaan seitsemänen vuoden kuluttua. Vaikka Jupiterin satelliiteilla tämä luku pienenee useita kertoja, he eivät yksinkertaisesti voineet menettää sellaista ilmapiiriä aurinkokunnan elinaikana. Siksi tutkijat ehdottivat, että satelliittien kuumenemisella, jonka aiheutti kaasujätteisen vuoroveden painovoimat, oli avainasemassa ilmakehän häviämisessä.
Samanaikaisesti mallintaminen ilman napauttamista osoitti, että voimakkaasta painovoimakentästä huolimatta Jupiter pystyi kuumentamaan ja hävittämään kaasukotelon vain tämän planeetan lähellä olevissa satelliiteissa, kuten Io ja Europa. Mutta Ganymede ja Callisto olisivat Jupiterian lähellä sijaitsevan primaarisen levyn "lumilinjan" takana eivätkä olisivat pystyneet menettämään ilmapiiriä lämmityksen vuoksi.
Ilmeisesti Callisto on rikas valoelementeistä (kuten Titan), ja sillä on jopa jäämeri, mutta siinä ei ole merkittävää ilmapiiriä.
Kun työn kirjoittajat esittelivät mallinnukseensa suuren manööverin vaikutukset, "sijoitettiin" Jupiter levyllä 1,5 AU: iin. Auringosta, missä se saisi noin kymmenen kertaa enemmän aurinko säteilyä, tilanne on muuttunut.
Nykyaikaisten tietojen mukaan aurinko säteili elämänsä ensimmäisen miljoonan vuoden aikana 100–10 000 kertaa enemmän röntgensäteitä ja ultraviolettisäteilyä kuin se säteilee nyt. Runko, jossa on typpiatmosfääri, kuten nykyinen maa tai Titan, hävisi väistämättä kaasuverhouksensa sellaisissa olosuhteissa. Tosiasia, että tällaisen säteilyn fotonien energia on paljon korkeampi kuin näkyvän valon, ja absorboituneensa typpipartikkelien piti nopeasti saavuttaa usean kilometrin sekunnissa nopeus ja poistua ilmakehästä. Tekijöiden laskelmien mukaan tällaisissa olosuhteissa maan primaarinen typpiatmosfääri menetetään vain muutamassa miljoonassa vuodessa. Ja rungot, kuten Ganymede ja Callisto, kiertoradalla 1,5 AU. olisi pitänyt kadottaa ilmapiiri vielä nopeammin.
Tämä johtopäätös erottaa suotuisan manööverimallin myönteisesti oletuksesta, että planeetan kiertoradat pysyvät ennallaan. Viimeksi mainitun puitteissa on erittäin vaikea kuvitella, kuinka Jupiterin satelliitit voisivat menettää ilmakehän menettämättä vesijäätä matkalla.
Titanilla on oma ilmapiiri
Selittääkseni, miksi Titan ei menettänyt ilmapiiriään yhdessä Saturnuksen kanssa 2 AU: ssa. Auringosta kirjoittajat hyödynsivät tietoja Saturnuksen ensisijaisen ympyrä-planetaarisen levyn mallinnuksesta. Sen mukaan Titan satelliittina ei voinut muodostua ennen suurta ohjausta. Auringon planeetat, kuten eksoplanetaarisissa järjestelmissä nähdään, muodostuivat eri nopeudella, ja kun massiivisin (Jupiter) oli jo suorittanut tämän prosessin, Saturnus ei ollut vielä "saavuttanut" noin 10 prosenttia massastaan. Tämä tarkoittaa, että suuren liikkuma-ajankohtana se oli edelleen aktiivisesti absorboi ainetta pyöreän planeetan levyltä. Tällaisissa olosuhteissa Titan putoaisi varmasti Saturnukseen, jos hän olisi tuolloin olemassa. Siksi Eller päättelee, että todellisuudessa Titan olisi voinut muodostua vain muutama sata tuhatta vuotta ohjauksen loppuun saattamisen jälkeen.
Kuinka maapallolla oli typpiatmosfääri tällaisissa olosuhteissa? Kirjoittajat huomauttavat, että useiden muiden teosten mukaan maapallon primaarisessa ilmakehässä, jolla on merkittävä painovoima, oli paljon hiilidioksidia, joka on vuorovaikutuksessa aivan eri tavalla energisten fotonien kanssa, ja niiden imeytymisen jälkeen saattoi palauttaa vastaanotetun energian tehokkaasti avaruuteen jäähdyttäen tuolloin maan ilmakehän ylemmät kerrokset. …
Tähtitieteilijät päättelevät, että aurinkokunnan nykyisessä kokoonpanossa on melkein mahdotonta ehdottaa toista skenaariota, jossa joissain jättiläisten planeettojen satelliiteista on ilmakehä neljä kertaa tiheämpi kuin Maa, kun taas toisilla ei ole sitä ollenkaan. Mutta Jupiterin ja Saturnuksen satelliittien nykyinen ulkonäkö voidaan selittää suuren ohjailuhypoteesin puitteissa paljon menestyvämmin kuin jos oletettaisiin, että molemmat näistä planeetoista eivät koskaan muuttaneet aurinkoon ja takaisin.
Ja samalla hypoteesilla on monia ratkaisematta olevia ongelmia. Tärkeintä on edelleen, että sen tarkistaminen on äärimmäisen vaikeaa. Liian paljon on muuttunut järjestelmässämme viimeisen 4,5 miljardin vuoden aikana, ja monet tärkeät tekijät, jotka vaikuttivat historian varhaiseen vaiheeseen, voidaan palauttaa vain epäsuorasti. Kyse ei ole pelkästään muuttoprosessien nopeudesta, joka riippui voimakkaasti muinaisen ympyränmuotoisen protoplanetaarisen pilven epäselvästä tiheydestä. Useat mallit pakottavat meitä olettamaan, että tuon ajan muuttoliikkeiden aikana kaasujättiläiset olisivat voineet poistaa yhden tai kaksi suurta planeettaa aurinkokunnasta gravitaatiovuorovaikutuksella, ja tässä tapauksessa havaitsemmemme elimet eivät ehkä anna täysin tyhjentävää tietoa menneistä tapahtumista. Hypoteesin täydellisemmäksi vahvistamiseksi tarvitaan täydellisempiä havaintotietoja samalle Ganymedelle ja Callistoon, jonka Eller-ryhmä toivoo saavansa eurooppalaiselta avaruusalukselta JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), jonka on tarkoitus matkustaa Jupiterin kuukaudelle vuosina 2022-2030.
Boris Alexandrov