Da li je naš Sunčev sistem retkost? Do pre samo nekoliko decenija verovali smo da naš slučaj predstavlja standard, da smo samo jedni od mnogih. Kameni svetovi u blizini zvezde i gasoviti divovi sa ledenim satelitima na udaljenim orbitama; potpuno logičan obrazac. Koji bi drugi raspored mogao da ima planetarni sistem? No 1995. počeli smo da otkrivamo nove svetove oko drugih zvezda i ubrzo smo shvatili da su, kao što se često događa u istoriji nauke, stvari složenije nego što bi se očekivalo na prvi pogled. Većina otkrivenih egzoplaneta bili su 'vreli Jupiteri', odn. gasoviti divovi koji kruže oko svojih zvezda na zapanjujuće maloj udaljenosti. Toliko malo da se neko vrijeme mislilo da je njegovo postojanje nemoguće. Čak su im i godine bile zbunjujuće kratke: prvootkrivenoj je trajala – samo 4 dana!
Da li je naš solarni sistem izuzetak ili pravilo?
Odjednom smo morali da promenimo pogled na mehanizme nastanka planeta. Većina naših teorija je ukazivala na to da su se planete Sunčevog sistema stvorile na današnjim položajima pre 4568,2 miliona godina[1] i da od tada gotovo da nisu menjale svoje orbite. Naravno, bilo je zdravorazumski pomisliti da bi se isto dogodilo i u drugim zvezdanim sistemima. Ali jednostavno, postojanje 'vrelih Jupitera' protivrečilo je ovoj pojednostavljenoj hipotezi. Budući da gasoviti džinovi ne mogu da se formiraju tako blizu svojih zvezda, morali su da postoje mehanizmi koji su ih postupno približavali.
Uskoro je predloženo objašnjenje ovog fenomena, poznatog kao planetna migracija. Planete ne nastaju niotkuda, već se stvaraju od materijala zaostalog nakon formiranja njihove zvezde, materijala koji se naziva protoplanetni disk. Ali objasniti rođenje planeta u ovom albumu nije lako. Do danas su predložena dva protivrečna modela. Prvi, koja se naziva 'akrecija jezgra' (core accretion), pretpostavlja da planete nastaju polako sjedinjavanjem malih tela veličine ~10 km nazvanih planetezimali. Jednom kad steknu znatnu masu (recimo 10 puta veću od današnje Zemlje), budući gasoviti džinovi počinju da zadržavaju gasove iz diska dok ne dostignu konačnu veličinu u procesu koji je traje nekoliko milijuna godina. Drugi model, nazvan 'nestabilnost diska' (gravitational disk instability) pretpostavlja da se u protoplanetnom disku nalaze mala nestabilna područja koja polako doživljavaju kolaps od koga se stvaraju planete na sličan način kako nastaju zvezde. Ovaj model predviđa stvaranje džinovskih planeta i braon patuljaka za nešto više od hiljadu godina. Tradicionalno, model akrecije jezgra je bio omiljen za objašnjenje stvaranja kamenitih planeta poput Zemlje ili ledenih džinova poput Neptuna, dok se nestabilnost diska preferira zbog Jupitera ili Saturna. Međutim, ova podela je daleko od jasne i sve se više naučnika poziva na model akrecije kako bi objasnili postojanje planeta mase Jupitera, sve dok se planete ne formiraju predaleko (više od 50 AJ) od Sunca.
Jedan od hipotetičkih hot Jupitera. Klasu čine objekti od 0,36-11,8 Jupiterovih masa i orbitnim periodima od 0,3-111 Zemaljskih dana.
Jednom kada planete stignu na svoja mesta, započeće migracija planeta i one počinju spiralno da se pomeraju prema svojoj zvezdi usled dva različita i ne jasno omeđena mehanizma[2]. Prvi se naziva migracija tipa I i najintuitivnija je. Gasovi i prašina u disku 'usporavaju' kretanje planeta manje mase i, kao rezultat toga, teže formiranju orbita sve bližih i bližih zvezdi (zapravo je taj fenomen mnogo složeniji, jer se mora uzeti u obzir gravitaciona interakcija sa diskom, učinci talasa gustine, turbulencije itd., ali koncept 'kočenja' nam pomaže da dobijemo približnu sliku). Migracija tip II, naprotiv, suptilniji je i nastaje uzimajući u obzir gravitacioni uticaj na disk već formirane džinovske planete. U ovom slučaju će planeta kružiti oko svoje zvezde u relativno 'čistom' području diska, ali gravitaciona interakcija sa unutarnjim i vanjskim područjima će učiniti da se približi zvezdi jer unutarnji disk nestaje usled djelovanja pritiska zračenja svetlosti i zvezdanih vetrovi sa zvezde. Migracija tipa II mnogo je sporija od tipa I i često daje prednost objašnjenju prisutnosti vrelih Jupitera oko drugih zvezda.
Planetna migracija.
I tu dolazimo do srži stvari. Zašto Jupiter nije završio blizu Sunca uništavajući sve kamenite planete – uključujući Zemlju – na svom putu? Za sada niko sa sigurnošću ne zna, ali sve upućuje da objašnjenje leži u Saturnu. Doista se veruje da je naš prstenasti džin rođen mnogo dalje od Sunca nego što je danas[3]. Nakon formiranja, mehanizmi migracije Tipa I približili su Saturnovu orbitu Suncu brže od Jupitera usled njegove manje mase. U jednom trenutku kada je njegova orbitna udaljenost postala dvostruko veća od Jupiterove, dve planete su ušle u ono što je poznato kao 2/3 rezonanca. Odnosno, za svaka tri Jupiterova okreta oko Sunca Saturn napravi dva. Rezultat je bio u tome što je Saturnova gravitaciona interakcija sprečila Jupiter da nastavi da se spušta prema Suncu, spašavajući pritom planete unutarnjeg Sunčevog sustava.
Ili, što mu dođe na isto, svoje postojanje dugujemo Saturnu. Nije iznenađujuće da je to omiljena planeta većine astronoma.
Zahvaljujući ovom džinu ja danas pišem ovo a ti čitaš...
Ali ne bismo trebali da pomislimo da je planeta poput Saturna potrebna samo da spreči da zvezdani sistem bude pogođen zastrašujućim vrelim Jupiterima. Istina je da niko ne zna tačno zašto se Saturn približio Suncu mnogo brže od Jupitera, ali većina stručnjaka se slaže da su procesi nastajanja dva gasovita diva morali biti potpuno različiti. Tačnije, Saturn je iz još uvek nejasnih razloga morao da raste puno sporije od svog starijeg brata. Ili, što je isto, u drugim planetnim sistemima, u kojima su gasoviti divovi pretrpeli analogne procese formiranja, krajnji rezultat bi bila zvezda s jednim ili dva vrela Jupitera.
S druge strane, rezonantski modeli sugerišu da bi materijal spoljnjeg protoplanetnog diska (unutrašnja ivica ~0,05 AJ) trebalo da bude pokupljen (akreiran) Saturnom dok pada prema zvezdi. Ovo je još jedna zagonetka, jer bi od tada Saturn trebao da bude veći od Jupitera. Najverovatnije objašnjenje je da su obe planete završila formiranje baš u trenutku kad je protoplanetarni disk bio u procesu rasejavanja. Prvo je stvoren Jupiter, a zatim Saturn, Uran i Neptun. Da su Jupiter i Saturn nastali ranije, interakcija sa diskom bi uzrokovala migraciju obe planete u unutrašnji Sunčev sustav – slično sistemu GJ876 – ili susret i naknadno proterivanje jednog od dva sveta van spoljnje ivice sistema (spoljnja ivica ~10-100 AJ).
Sigurno ste povremeno nailazili na 'hipotezu u Retkoj Zemlji'. Prema ovoj teoriji, planete poput Zemlje bi trebale da budu vrlo retke u kosmosu, jer je čitav niz kosmičkih slučajnosti neophodan da bi se objasnilo postojanje naše planete. Naprimer, da Jupiter nije tako masivan, komete i asteroidi bi udarali u Zemlju mnogo češće, sprečavajući pojavu i razvoj života. Eto, sada takođe znamo da još jedan važan element za postojanje Sunčevog sistema kakav je naš predstavlja postojanje sveta sličnog Saturnu. Čini li ovo naš Sunčev sistem retkošću? Još je prerano da tvrdimo to sa sigurnošću, ali moglo bi i biti. U svakom slučaju, treba imati na umu da iako samo mali deo zvezda solarnog tipa (spektralni tip FGK) ima sisteme slične našem, ipak govorimo o milionima sistema samo u našoj galaksiji.
Rezonanca između Jupitera i Saturna jedino ne objašnjava zbog čega su planetni migracioni procesi stali. Postoje dokazi koji sugerišu da su se obe džinovske planete na kraju povukle u svoje trenutne orbite, 'izguravajući' u tom procesu Uran i Neptun iz Sunčevog sistema.
Evolucija udaljenosti planeta na osnovu dva modela formiranja solarnog sistema. Model na desnoj strani je trenutni favorit. Prema njemu, Jupiter, Saturn, Uran i Neptun su nastali bliže Suncu. Jupiter i Saturn su migrirali ka unutrašnjosti, ali su se onda počeli da povlače, izguravajući u tom procesu Uran i Neptun.
Variranja perihela i afela spoljnjih planeta prema Nice simulaciji. Uočava se razdoblje (t=762 Myr) velike nestabilnosti, kada su planete radikalno promenile svoje orbite.
Ovi migracijski mehanizmi bi morali da buduju biti uobičajeni u drugim planetarnim sistemima, ali je verovatno kod mnogih od njih krajnji rezultat bio vrlo različit. Zapravo, da su četiri džinovske planete Sunčevog sistema ušle u međusobnu rezonanciju, ekscentriciteti orbita bi vremenom snažno varirali, što bi uzrokovalo bliske susrete među planetama. Napokon, sve džinovske planete, sem Jupitera, bile bi izbačene iz Sunčevog sistema a on bi ostao u snažno ekscentričnoj orbiti. Upravo taj obrazac trenutno primećujemo u mnogim egzoplanetarnim sistemima.
A nije da ovi planetni karamboli nisu uticali na Zemlju. Naprotiv. Čitav unutrašnji Sunčev sustav prepun je dokaza da se nešto užasno dogodilo pre 3,9 milijardi godina. Udari asteroida i kometa dramatično su se povećali u periodu od 20 do 200 miliona godina, ostavljajući goleme ožiljke na Mesecu i svim kamenitim planetama, osim Zemlje, gde je erozija izbrisala tragove ove kataklizme. Ova epizoda neviđenog nasilja se naziva Late Heavy Bombardment (LHB), a dovoljno je samo pogledati tamne mrlje na Mesecu ('mora') da biste golim okom videli njegove učinke. Donedavno, LHB se tumačio kao završni efekti procesa formiranja planeta, no sada se čini da je to bio direktan rezultat razdoblja nestabilnosti planetnih orbita koje pretile da unište naše solarni sistem. Prema toj novoj teoriji, većina kometa i asteroida koji su se sudarili s unutarnjim planetama tokom LHB-a dolazila iz zona van Neptunove orbite, koje su danas poznate kao Kuiperov pojas.
Proterivanje Neptuna na ivice Sunčevog sistema bio je jedan od uzroka kasnog bombarsovanja.
Takođe, kretanje divovskih planeta moglo bi da objasni zašto je Mars tako mali. Ako bi se Jupiter oblikovao bliže svom trenutnom položaju a zatim nastavio da migrira u unutrašnji Sunčev sistem dok ne dosegne 1,5 AJ, gravitacioni poremećaji bi sprečili povećanje mase Crvene planete kako predviđaju statički modeli orbitacione formacije. Ako je ova hipoteza tačna, asteroidni pojas je morao da bude delimično uništen tokom prve Jupiterove unutrašnje migracije, da bi se ponovno formirao nakon što je gasovita planeta dosegla trenutnu udaljenost. Ako bi to bila istina, spoljnji deo pojasa bi trebala da čine tela sa visokim sadržajem leda koja su stvorena na udaljenosti većoj od orbite Jupitera (asteroidi Tipa C), dok bi unutarnji deo činili kameniti i metalni asteroidi tipa S. A upravo je to ono što danas primećujemo. Inače, ovaj bi scenario objasnio zašto su asteroidi tipa C Glavnog pojasa toliko slični kometama koja se nalaze na mnogo većim udaljenostima.
Levo: Kretanje planeta tokom vremena pomeralo je asteroide i komete solarnog sistema. Desno: Opis evolucije mladog sistema. (A)Početna postavka ovog modela uključuje planete kratkog perioda rotacije (kao što je uočeno kod mnogim egzoplaneta). U toj fazi Jupiter počinje da migrira ka unutra. (B) Jupiterova migracija zahvata planetezimale u rezonancu, zbog čega seku orbitu i sudaraju se međusobno.
(C) Rezultirajuća koliziona kaskada melje planetezimale ispod kritične veličine od 100 m, a aerodinamika
ih vuče ka Suncu. Prva generacija planeta biće odnešena na Sunce zajedno sa ovim otpadom koji se kreće ka unutra. (D) Uništavanje prve generacije planeta ostavlja za sobom uski prsten materijala i gasova, od kojih se sada mogu formirati zemljolike planete.
Migracija četiri velike planete solarnog sistema.
Kao što se da nazreti, istorija Sunčevog sistema je daleko od toga da je jednostavna, ali da bi smo je razotkrili morali prvo da ispitamo stotine ekstrasolarnih planeta. Je li naš Sunčev sistem jedan čudak? Ne znamo sa sigurnošću, ali možemo biti sigurni da nije, što bi rekli Masoni, E pluribus unum – jedan od mnoštva...
[1] Na osnovu tzv. Ca-Al-inkluzija u ugljeničnim hondritskim meteoritima i njihovog datiranja uz pomoć olovo-olovo hronometra, dobijeno je da su stari 4567,30±0,16 mil. godina. Pošto su to najstariji datovani čvrsti materijali koji su nam dostupni, uobičajeno je da se to uzima za starost Sunčevog sistema.
[2] Svako ko bude čitao ovo treba da stavi prst na čelo. 'Ej, Draško piše o NASTANKU SOLARNIH SISTEMA! Mi koji nismo u stanju da rešimo problem najlon kesa i pranja ruku, koji posle tolikih milenijuma još uvek ratujemo oko vode i vatre, mi sada imamo TEORIJU kako su nastale zvezde i planete! Moš' misliti! I sad to Draško pokušava da razume i objasni mi! Meni lično to je toliko zastrašujuće da osećam potrebu da napišem ovakvu fusnotu.
[3] Pre dve godine sam nešto pisao o ovoj temi, pa koga interesije neka baci pogled.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
