Volgens de Great Manoeuvre-hypothese reisde Jupiter eens door het zonnestelsel, waarbij hij de zwaartekracht verwoestte. Deze hypothese wordt nog steeds niet volledig aanvaard door de wetenschappelijke gemeenschap vanwege de complexiteit ervan, maar recentelijk is er nieuw bewijs in haar voordeel verschenen.
Astronomen onder leiding van René Heller van McMaster University hebben de bijbehorende voordruk op arXiv.org gepost, en de paper zelf is al geaccepteerd voor publicatie in Astronomy & Astrophysics. Om beter te begrijpen waarom wetenschappers zo'n hypothese nodig hebben, zijn er een aantal belangrijke vragen die eerst moeten worden beantwoord.
Ongebruikelijk systeem
Tot voor kort riep de structuur van het zonnestelsel geen vragen op: er was gewoon niets om het mee te vergelijken. Toegegeven, de bestaande modellen van de vorming van planeten uit een protoplanetaire wolk gaven niet het beeld dat astronomen in de praktijk waarnemen, maar dit werd toegeschreven aan de imperfectie van de modellen zelf. De eerste ontdekkingen van exoplaneten in de jaren 90 van de vorige eeuw hadden geen grote invloed op de situatie: de steekproef was klein, er waren weinig exoplaneten.
In 2009 werd de Kepler-telescoop in gebruik genomen, met als hoofddoel juist het zoeken naar exoplaneten. Sinds 2015 heeft NASA meer dan 4.000 kandidaat-planeten geregistreerd die door het ruimtevaartuig worden gezien. En na de eerste duizend daarvan werd het duidelijk dat ons sterrenstelsel verre van typisch is.
Ten eerste hebben we vier planeten ter grootte van de aarde of minder, en geen enkele superaarde - lichamen met een straal van 1,25-2,00 maal de aarde. Tegelijkertijd zijn in de sterrenstelsels die door onze telescopen worden onderzocht, superaarde daarentegen anderhalf keer zo groot als de zogenaamde "planeten ter grootte van de aarde".
De meeste van de 800 "aardse planeten" (links) hebben in feite een straal die iets groter is dan onze planeet, en in massa groter dan 1,5 tot 17 keer; De aarde, Venus, Mars en Mercurius zijn aanzienlijk lichter dan typische vaste planeten van andere systemen
Promotie video:
De aanhalingstekens hier zijn niet toevallig: deze klasse omvat alle lichamen met een straal van minder dan 1,25 aarde. Maar de meeste zijn groter dan onze planeet en aanzienlijk zwaarder dan deze (Kepler-10c is bijvoorbeeld 17 keer zo zwaar als de aarde). Men begreep dat de ontwikkeling van het planetenstelsel rond de zon op een andere manier verliep dan in exoplanetaire systemen met superaarde.
Ten tweede bevinden gasreuzen zich in de meeste van de momenteel bekende systemen veel dichter bij de centrale ster dan onze Jupiter en Saturnus. Soms zelfs dichter bij Mercurius. Reuzen konden op zo'n plek niet verschijnen - de straling van een ster zou eenvoudigweg voorkomen dat de planeten zich vormen. Dit betekent, zo concludeerden de wetenschappers, dat reuzen ver van de ster worden gevormd, maar dat ze vervolgens worden vertraagd door de substantie die overblijft van de protoplanetaire schijf en dichterbij in banen beweegt.
In ons systeem had de vertraging, als die er al was, echter totaal andere gevolgen: de reuzenplaneten bevinden zich nog steeds vrij ver van de zon.
Tijd om te migreren
En in 2010 presenteerde de groep van Kevin Walsh een hypothese die zowel de afwezigheid van superaarde in het zonnestelsel als de relatieve afgelegen ligging van gasreuzen door dezelfde gebeurtenis verklaarde - de zogenaamde Grand Tack-hypothese.
Volgens Walsh, toen het zonnestelsel 1 tot 10 miljoen jaar oud was en de aardse planeten nog niet waren gevormd, migreerde Jupiter vanuit een baan van 3,5 astronomische eenheden (ongeveer 525 miljoen kilometer van de zon, één astronomische eenheid is gelijk aan de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon) in een baan van 1,5 astronomische eenheden, waar Mars nu is. Daar stopte de reuzenplaneet, vermoedelijk als gevolg van de zwaartekracht van Saturnus, die na Jupiter migreerde in een baan om 2 astronomische eenheden van de zon. De reus begon toen langzaam terug te bewegen totdat hij terugkeerde naar zijn huidige baan van 5 astronomische eenheden.
Zonder de migratie van Jupiter en Saturnus, die erdoor wordt meegesleept, naar de zon en terug, zou het binnenste deel van het zonnestelsel (hierboven) er nu (hieronder) zo uitzien.
De Great Manoeuvre-hypothese verklaarde treffend veel hoogst ongebruikelijke kenmerken van het zonnestelsel. Jupiter moest tijdens zijn reis naar de zon en terug de plaats van vorming van de aardse planeten zuiveren van de "extra" massa gas en stof, waardoor ze de kans ontnomen werden om superaarde te worden. Tegelijkertijd werden de plaatsen waar Mars en de asteroïdengordel werden gevormd het meest beïnvloed door de zwaartekracht van de reuzenplaneet, wat leidde tot hun abnormaal kleine (en het is, vanuit het oogpunt van de evolutie van het zonnestelsel, dergelijke) massa.
Maar hoe aantrekkelijk de hypothese ook is, hij ziet er nogal ingewikkeld uit, en daarom twijfelen veel astronomen nog steeds aan de juistheid ervan. In het nieuwe werk besloten Rene Eller en co-auteurs om te testen welk effect de Grote Manoeuvratie zou kunnen hebben op de manen van Jupiter. Hun idee is simpel: het is noodzakelijk om de ontwikkeling van het zonnestelsel met en zonder manoeuvreren te simuleren en vervolgens de resultaten te vergelijken. Als simulatie met manoeuvreren meer op de waarheid lijkt, betekent dit dat het nieuwe werk opnieuw een bewijs van de hypothese zal zijn. Als je niet hoeft te manoeuvreren, dan is het zo - het betekent dat de hypothese van een migrerende Jupiter te exotisch is.
Van het grootste belang voor dergelijke simulaties zijn Ganymedes en Callisto, twee grote satellieten van Jupiter, half water en half vast. Het is een feit dat als de overstaghypothese correct is, beide lichamen zouden moeten zijn gevormd voordat deze overstag gaat: objecten met een dergelijk aandeel waterijs verschijnen niet op plaatsen die dichter bij een bepaalde afstand van de zon zijn. Volgens de berekeningen van de auteurs, rekening houdend met de invloed van de jongste Jupiter en zijn circumplanetaire schijf, konden Callisto en Ganymede niet dichter dan 4 astronomische eenheden van de zon komen.
Titan (in de linker benedenhoek) is niet ver van de maan in grootte en zwaartekracht, maar waar het gevormd was, waren er meer lichte elementen, daarom heeft een relatief kleine satelliet een stikstofatmosfeer die vier keer dichter is dan de aarde.
Wat voor sporen kunnen de grote overstag gaan op de satellieten? Het draait allemaal om de sfeer. De auteurs van het werk gingen ervan uit dat de atmosfeer van Saturnusmaan Titan, en de nu atmosferische Jupiteriaanse Callisto en Ganymede, aanvankelijk vergelijkbaar waren, evenals hun massa en formatiezones.
Tegelijkertijd zeggen schattingen van bestaande modellen dat de atmosfeer van Titan, die vier keer dichter is dan de aarde, niet eerder dan in een septiljoen jaar door zwaartekracht verloren kan gaan. Zelfs als dit cijfer voor de satellieten van Jupiter verschillende keren wordt verlaagd, kan een dergelijke atmosfeer eenvoudigweg niet verloren gaan tijdens de levensduur van het zonnestelsel. Daarom suggereerden wetenschappers dat de verwarming van de satellieten, veroorzaakt door de getijdekrachten van de zwaartekracht van de gasreus, een sleutelrol speelde bij het verlies van de atmosfeer.
Tegelijkertijd toonde modellen zonder overstag aan dat Jupiter, ondanks het krachtige zwaartekrachtveld, alleen voor verwarming en verlies van de gasomhulling kon zorgen in satellieten dicht bij deze planeet, zoals Io en Europa. Maar Ganymedes en Callisto zouden zich achter de "sneeuwgrens" van de primaire nabij-Jupiteriaanse schijf bevinden en zouden de atmosfeer niet hebben kunnen verliezen door verhitting.
Blijkbaar is Callisto rijk aan lichte elementen (zoals Titan) en heeft het zelfs een oceaan onder het ijs, maar het heeft geen significante atmosfeer.
Toen de auteurs van het werk in hun modellering de effecten van de Grote Manoeuvre introduceerden, 'plaatsten' ze Jupiter met zijn schijf op 1,5 AU. van de zon, waar het ongeveer tien keer meer zonnestraling zou ontvangen, is de situatie veranderd.
Volgens moderne gegevens heeft de zon in de eerste miljoen jaar van zijn leven 100 tot 10.000 keer meer röntgenstraling en ultraviolette straling uitgezonden dan nu. Een lichaam met een stikstofatmosfeer, zoals de huidige aarde of Titan, verloor onder dergelijke omstandigheden onvermijdelijk zijn gasomhulsel. Feit is dat de energie van fotonen van dergelijke straling veel hoger is dan die van zichtbaar licht, en nadat ze ze hadden geabsorbeerd, moesten de stikstofdeeltjes snel een snelheid van enkele kilometers per seconde winnen en de atmosfeer verlaten. Volgens de berekeningen van de auteurs zou onder dergelijke omstandigheden de primaire stikstofatmosfeer van de aarde binnen een paar miljoen jaar verloren gaan. En lichamen als Ganymedes en Callisto in een baan van 1,5 AU. hadden hun sfeer nog sneller moeten verliezen.
Deze conclusie onderscheidt het Great Manoeuvre-model op gunstige wijze van de aanname dat de planetaire banen ongewijzigd blijven. In het kader van dit laatste is het erg moeilijk voor te stellen hoe de satellieten van Jupiter precies hun atmosfeer zouden kunnen verliezen zonder onderweg waterijs te verliezen.
Titan heeft zijn eigen sfeer
Om uit te leggen waarom Titan onder deze omstandigheden zijn atmosfeer niet verloor, samen met Saturnus in 2 AU. van de zon, gebruikten de auteurs gegevens van het modelleren van de primaire circumplanetaire schijf van Saturnus. Volgens het zou Titan als een satelliet niet kunnen worden gevormd vóór de Grote Manoeuvreren. De planeten van de zon werden, net zoals we zien in exoplanetaire systemen, met verschillende snelheden gevormd, en toen de meest massieve (Jupiter) dit proces al had voltooid, had Saturnus nog niet ongeveer 10 procent van zijn massa "gewonnen". Dit betekent dat het tegen de tijd van de Grote Manoeuvre nog steeds actief materie van zijn circumplanetaire schijf aan het opnemen was. In dergelijke omstandigheden zou Titan, als hij op dat moment bestond, zeker op Saturnus vallen. Daarom concludeert Eller dat Titan in werkelijkheid slechts een paar honderdduizend jaar na de voltooiing van het manoeuvreren had kunnen ontstaan.
Hoe had de aarde onder dergelijke omstandigheden een stikstofatmosfeer? De auteurs wijzen erop dat, volgens een aantal andere werken, er in de primaire atmosfeer van de aarde met zijn aanzienlijke zwaartekracht veel koolstofdioxide was, dat op een geheel andere manier in wisselwerking staat met energetische fotonen, en na ze te hebben geabsorbeerd, het de ontvangen energie effectief opnieuw de ruimte in zou kunnen zenden, waardoor de bovenste lagen van de toenmalige atmosfeer van de aarde afkoelden. …
Astronomen komen tot de conclusie dat het in de huidige configuratie van het zonnestelsel bijna onmogelijk is om een ander scenario voor te stellen, waarin sommige satellieten van de reuzenplaneten een atmosfeer hebben die vier keer zo dicht is als de aarde, terwijl andere deze helemaal niet hebben. Maar binnen het raamwerk van de Great Manoeuvre-hypothese kan het huidige verschijnen van de manen van Jupiter en Saturnus veel beter worden verklaard dan wanneer we aannemen dat beide planeten nooit naar de zon zijn gemigreerd en terug.
En tegelijkertijd kent de hypothese veel onopgeloste problemen. De belangrijkste is nog steeds dat het buitengewoon moeilijk is om het volledig te verifiëren. Er is de afgelopen 4,5 miljard jaar te veel veranderd in ons systeem en veel belangrijke factoren die de vroege periode van zijn geschiedenis hebben beïnvloed, kunnen slechts indirect worden hersteld. Het gaat niet alleen om de snelheid van migratieprocessen, die sterk afhankelijk was van de niet geheel duidelijke dichtheid van de oude circumsolaire protoplanetaire wolk. Een aantal modellen dwingt ons om aan te nemen dat gasreuzen tijdens de migraties van die tijd een of twee grote planeten uit het zonnestelsel hadden kunnen werpen door middel van gravitatie-interactie, en in dit geval geven de lichamen die we waarnemen mogelijk niet volledig volledige informatie over gebeurtenissen in het verleden. Voor een vollediger bevestiging van de hypothese zijn meer complete observatiegegevens nodig voor dezelfde Ganymedes en Callisto, die Ellers groep hoopt te ontvangen van het Europese ruimtevaartuig JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), dat in 2022-2030 naar de manen van Jupiter zal reizen.
Boris Alexandrov
