Suure manööverdamise hüpoteesi kohaselt sõitis Jupiter kord Päikesesüsteemist läbi, hävitades oma raskusega. Teadusringkonnad ei ole seda hüpoteesi endiselt oma keerukuse tõttu täielikult aktsepteerinud, kuid viimasel ajal on tema kasuks ilmunud uusi tõendeid.
McMasteri ülikoolist René Helleri juhitud astronoomid on vastava eeltrüki postitanud arXiv.org ja paber ise on juba aktsepteerimiseks avaldamiseks ajakirjas Astronomy & Astrophysics. Et paremini mõista, miks teadlased sellist hüpoteesi vajavad, tuleb kõigepealt lahendada mitu olulist küsimust.
Ebatavaline süsteem
Alles hiljuti ei tekitanud päikesesüsteemi struktuur küsimusi: lihtsalt polnud millegagi võrrelda. Tõsi, olemasolevad protoplanetaarsest pilvest planeetide moodustamise mudelid ei andnud pilti, mida astronoomid praktikas jälgivad, kuid see omistati mudelite endi ebatäiuslikkusele. Esimesed eksoplaneetide avastused eelmise sajandi 90ndatel ei mõjutanud olukorda eriti: valim oli väike, eksoplaneete oli vähe.
2009. aastal toodi turule Kepleri teleskoop, mille peamine eesmärk oli täpselt eksoplaneetide otsimine. 2015. aasta seisuga on NASA registreerinud enam kui 4000 kandidaatplaneeti, mida kosmoselaev on näinud. Ja pärast esimest tuhat neist sai selgeks, et meie tähesüsteem on tüüpilisest väga kaugel.
Esiteks on meil neli Maa või väiksema suurusega planeeti ja mitte ükski super-maa - keha, mille raadius on 1,25–2,00 korda suurem kui Maa. Samal ajal on meie teleskoopide poolt uuritud tähesüsteemides supermaad, vastupidi, poolteist korda suuremad kui niinimetatud "Maa-suurused planeedid".
Enamikul 800 "maapealsest planeedist" (vasakul) on raadiusega veidi suurem kui meie planeedil ja mass ületab seda 1,5-17 korda; Maa, Veenus, Marss ja Merkuur on teiste süsteemide tüüpilistest tahketest planeetidest oluliselt kergemad
Reklaamvideo:
Siinsed tsitaadid pole juhuslikud: sellesse klassi kuuluvad kõik kehad, mille raadius on alla 1,25 Maa. Kuid enamik neist on meie planeedist suuremad ja oluliselt raskemad (näiteks Kepler-10c on 17 korda massiivsem kui Maa). Oli arusaam, et Päikese ümber toimuva planeedisüsteemi arendamine kulges muul viisil kui super-maakeraga eksoplanetaarsetes süsteemides.
Teiseks on enamikus praegu teadaolevates süsteemides gaasihiiglased kesktähele palju lähemal kui meie Jupiter ja Saturn. Mõnikord isegi Merkuurile lähemal. Hiiglasi ei saanud sellises kohas tekkida - tähe kiirgus takistaks lihtsalt planeetide teket. See tähendab, et teadlased järeldasid, et hiiglased moodustuvad tähest kaugel, kuid aeglustab neid protoplanetaarselt kettalt alles jääv aine, liikudes orbiitidele lähemale.
Meie süsteemis olid aeglustusel, kui see siiski oli, täiesti erinevad tagajärjed - hiiglaslikud planeedid asuvad Päikesest endiselt üsna kaugel.
Aeg rännata
Ja 2010. aastal esitas Kevin Walshi grupp hüpoteesi, mis selgitas nii supermaastike puudumist Päikesesüsteemis kui ka gaasihiiglaste suhtelist kaugust ühe ja sama sündmusega - nn Great Tacki hüpoteesiga.
Walshi sõnul rändas Jupiter, kui päikesesüsteem oli 1–10 miljonit aastat vana ja maapealsed planeedid polnud veel moodustunud, 3,5 astronoomilise ühiku orbiidilt (Päikesest umbes 525 miljonit kilomeetrit, üks astronoomiline ühik on võrdne keskmise kaugusega Maast Päikeseni). 1,5 astronoomilise ühiku orbiidile, kus praegu asub Marss. Seal peatus hiiglaslik planeet, arvatavasti Saturni raskusjõu tõttu, mis rändas pärast Jupiteri Päikesest orbiidile 2 astronoomilistesse ühikutesse. Seejärel hakkas hiiglane aeglaselt tagasi liikuma, kuni jõudis tagasi oma praegusele 5 astronoomilise ühiku orbiidile.
Kui see ei oleks seotud Jupiteri ja Saturni rännakuga Päikesesüsteemi ja tagasi, näeks Päikesesüsteemi sisemine piirkond (ülal) nüüd välja selline (allpool).
Suure manööverdamise hüpotees selgitas tabavalt päikesesüsteemi paljusid äärmiselt ebaharilikke omadusi. Jupiter pidi oma Päikese ja tagasi sõitmise ajal maapealsete planeetide tekkekoha puhastama gaasi ja tolmu "ekstra" massist, jättes neile võimaluse muutuda super-maadeks. Samal ajal mõjutas kõige rohkem kohti, kus tekkisid Marsi ja asteroidi vöö, hiiglasliku planeedi raskusjõud, mis viis nende ebanormaalselt väikese (ja Päikesesüsteemi arengu seisukohalt on selline) massini.
Kuid hüpoteesi kogu atraktiivsuse osas tundub see üsna keeruline, mistõttu paljud astronoomid kahtlevad selle õigsuses endiselt. Uues teoses otsustasid Rene Eller ja kaasautorid kontrollida, millist mõju võib suur manööverdamine Jupiteri kuudele avaldada. Nende idee on lihtne: on vaja päikesesüsteemi arengut simuleerida manööverdamisega ja ilma, ning seejärel tulemusi võrrelda. Kui manööverdamisega simuleerimine sarnaneb rohkem tõele, tähendab see, et uus teos on hüpoteesi järjekordne tõestus. Kui ilma manööverdamiseta, siis nii olgu - see tähendab, et rändava Jupiteri hüpotees on liiga eksootiline.
Selliste simulatsioonide jaoks pakuvad suurimat huvi Ganymede ja Callisto, kaks suurt Jupiteri satelliiti, pool vett ja pool tahket. Fakt on see, et kui manööverdamishüpotees on õige, siis oleks pidanud mõlemad kehad moodustuma juba enne tegelikku manööverdamist ise: Sellise vesijääga osaga objekte ei paista kohtades, mis asuvad Päikesest teatud kaugusel. Autorite arvutuste kohaselt võiksid Callisto ja Ganymede, võttes arvesse noorima Jupiteri ja selle ümmarguse planeedi ketta mõju, asuda Päikesest lähemal kui 4 astronoomilist ühikut.
Titan (vasakus alumises nurgas) pole Kuu suuruse ja raskuse poolest kaugel, kuid seal, kus see moodustus, oli rohkem valguselemente, seetõttu on suhteliselt väikesel satelliidil lämmastiku atmosfäär neli korda tihedam kui Maal.
Milliseid jälgi võis suur Tacking satelliitidel jätta? See kõik sõltub atmosfäärist. Töö autorid lähtusid eeldusest, et Saturni Kuu Titani atmosfäär ning nüüdseks atmosfääri kuuluvad Jupiterian Callisto ja Ganymede olid algselt sarnased, nagu ka nende massid ja moodustustsoonid.
Samal ajal väidavad olemasolevate mudelite hinnangud, et Titani atmosfäär, mis on Maa omast neli korda tihedam, võib gravitatsiooni abil kaduda mitte varem kui seitsmenda aasta pärast. Isegi kui Jupiteri satelliitide puhul väheneb see arv mitu korda, ei suutnud nad sellist atmosfääri Päikesesüsteemi elu jooksul lihtsalt kaotada. Seetõttu tegid teadlased ettepaneku, et satelliitide kuumutamisel, mis oli põhjustatud gaasihiiglase loodejõudude raskusjõust, oli atmosfääri kaotuses võtmeroll.
Samal ajal näitas ilma tembeldamata modelleerimine, et hoolimata võimsast gravitatsiooniväljast, võis Jupiter kuumutada ja gaasiümbrist kaotada ainult selle planeedi lähedal asuvatel satelliitidel, nagu Io ja Europa. Kuid Ganymede ja Callisto oleksid Jupiteria lähedal asuva primaarse ketta "lumejoone" taga ega oleks kütte tõttu atmosfääri kaotanud.
Ilmselt on Callisto rikas kergete elementidega (nagu Titan) ja tal on isegi jääalune ookean, kuid sellel puudub märkimisväärne atmosfäär.
Kui töö autorid tutvustasid suure manööverdamise mõju modelleerimisel, "asetades" Jupiteri kettale 1,5 AU. Päikesest, kus see saaks umbes kümme korda rohkem päikesekiirgust, on olukord muutunud.
Tänapäevaste andmete kohaselt kiirgas Päike oma elu esimese miljoni aasta jooksul 100–10 000 korda rohkem röntgenikiirgust ja ultraviolettkiirgust kui praegu. Lämmastiku atmosfääriga keha, näiteks praegune Maa või Titan, kaotas sellistes tingimustes paratamatult oma gaasiümbrise. Fakt on see, et sellise kiirguse footonite energia on palju suurem kui nähtava valguse korral ning pärast neeldumist pidid lämmastikuosakesed kiiresti saavutama kiiruse mitu kilomeetrit sekundis ja lahkuma atmosfäärist. Autorite arvutuste kohaselt kaoks sellistes tingimustes Maa primaarne lämmastiku atmosfäär vaid mõne miljoni aasta pärast. Ja sellised kehad nagu Ganymede ja Callisto orbiidil 1,5 AU. oleks pidanud oma atmosfääri veelgi kiiremini kaotama.
See järeldus eristab soodsalt Suure manööverdamise mudelit eeldusest, et planeedi orbiidid jäävad muutumatuks. Viimase raames on väga raske ette kujutada, kuidas täpselt Jupiteri satelliidid võiksid oma atmosfääri kaotada ilma veejäät kaotamata.
Titanil on oma õhkkond
Selgitamaks, miks nendes tingimustes Titan koos Saturniga 2 AU-s atmosfääri ei kaotanud. Päikesest lähtudes kasutasid autorid Saturni primaarse tsirkuleeriva plaadi modelleerimise andmeid. Selle järgi ei saanud Titan kui satelliit enne suurt manööverdamist tekkida. Päikese planeedid, nagu me näeme eksoplaneetilistes süsteemides, moodustusid erineva kiirusega ja kui kõige massiivsemad (Jupiter) olid selle protsessi juba lõpule viinud, polnud Saturn veel "saavutanud" umbes 10 protsenti oma massist. See tähendab, et Suure manööverdamise ajaks oli see veel aktiivselt aine neeldumist oma tsüklilisele planeedile. Sellistes tingimustes langeks Titan, kui ta sel hetkel eksisteeriks, kindlasti Saturni. Seetõttu järeldab Eller, et tegelikkuses võis Titan moodustuda alles paarsada tuhat aastat pärast manööverdamise lõpetamist.
Kuidas oli Maal lämmastiku atmosfäär sellistes tingimustes? Autorid märgivad, et mitmete teiste tööde kohaselt oli Maa primaarses atmosfääris koos selle olulise raskusjõuga palju süsinikdioksiidi, mis suhtleb energeetiliste footonitega täiesti erineval viisil ja pärast nende neeldumist suutis see saadud energia tõhusalt kosmosesse tagasi eraldada, jahutades tollase Maa atmosfääri ülemisi kihte. …
Astronoomid jõuavad järeldusele, et Päikesesüsteemi praeguses konfiguratsioonis on peaaegu võimatu välja pakkuda teist stsenaariumi, mille kohaselt mõnel hiidplaneetide satelliidil on atmosfäär neli korda tihedam kui Maal, samas kui teistel seda üldse pole. Kuid Suure manööverdamise hüpoteesi raames saab Jupiteri ja Saturni satelliitide praegust väljanägemist seletada palju edukamalt, kui eeldada, et mõlemad planeedid ei rännanud kunagi Päikesele ega tagasi.
Ja samal ajal on hüpoteesil palju lahendamata probleeme. Peamine on ikkagi see, et selle täielikku kontrollimist on äärmiselt keeruline. Viimase 4,5 miljardi aasta jooksul on meie süsteemis muutunud liiga palju ja paljusid olulisi tegureid, mis mõjutasid selle ajaloo varajast perioodi, saab taastada vaid kaudselt. See ei puuduta ainult rändeprotsesside kiirust, mis sõltus tugevalt iidse ümmarguse protoplanetaarse pilve mitte täiesti selgest tihedusest. Hulk mudeleid sunnib meid eeldama, et tolleaegsed rändeprotsessis võisid gaasihiiglased gravitatsioonilise interaktsiooni teel Päikesesüsteemist ühe või kaks suurt planeeti väljutada ning sel juhul ei pruugi meie vaadeldavad kehad anda minevikusündmuste kohta täiesti ammendavat teavet. Hüpoteesi täielikumaks kinnitamiseks on vaja sama Ganymede'i ja Callisto kohta täielikumaid vaatlusandmeid, mida Elleri grupp loodab saada Euroopa kosmoselaevast JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), mis on ette nähtud reisida Jupiteri kuudele aastatel 2022-2030.
Boriss Aleksandrov
