Nach der Hypothese des Großen Manövrieren reiste Jupiter einst durch das Sonnensystem und säte mit seiner Schwerkraft Chaos. Diese Hypothese wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgrund ihrer Komplexität immer noch nicht vollständig akzeptiert, aber in jüngerer Zeit sind neue Beweise zu ihren Gunsten erschienen.
Astronomen unter der Leitung von René Heller von der McMaster University haben den entsprechenden Preprint auf arXiv.org veröffentlicht, und das Papier selbst wurde bereits zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen. Um besser zu verstehen, warum Wissenschaftler eine solche Hypothese benötigen, müssen zunächst einige wichtige Fragen beantwortet werden.
Ungewöhnliches System
Bis vor kurzem warf die Struktur des Sonnensystems keine Fragen auf: Es gab einfach nichts zu vergleichen. Die vorhandenen Modelle zur Bildung von Planeten aus einer protoplanetaren Wolke lieferten zwar nicht das Bild, das Astronomen in der Praxis beobachten, aber dies wurde auf die Unvollkommenheit der Modelle selbst zurückgeführt. Die ersten Entdeckungen von Exoplaneten in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts hatten keinen besonderen Einfluss auf die Situation: Die Stichprobe war klein, es gab nur wenige Exoplaneten.
2009 wurde das Kepler-Teleskop in Betrieb genommen, dessen Hauptzweck genau die Suche nach Exoplaneten war. Bis 2015 hat die NASA mehr als 4.000 Kandidatenplaneten registriert, die vom Raumschiff gesehen wurden. Und nach den ersten tausend von ihnen wurde klar, dass unser Sternensystem alles andere als typisch ist.
Erstens haben wir vier Planeten von der Größe der Erde oder weniger und keine einzige Supererde - Körper mit einem Radius von 1,25-2,00 mal der Erde. Gleichzeitig sind in den von unseren Teleskopen untersuchten Sternensystemen die Supererden andererseits eineinhalb Mal größer als die sogenannten "erdgroßen Planeten".
Die meisten der 800 "terrestrischen Planeten" (links) haben tatsächlich einen Radius, der etwas größer als unser Planet ist und dessen Masse ihn 1,5- bis 17-mal überschreitet. Erde, Venus, Mars und Merkur sind bedeutend leichter als typische feste Planeten anderer Systeme
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Die Anführungszeichen hier sind kein Zufall: Diese Klasse umfasst alle Körper mit einem Radius von weniger als 1,25 Erde. Aber die meisten von ihnen sind größer als unser Planet und bedeutend schwerer als er (zum Beispiel ist Kepler-10c 17-mal so massereich wie die Erde). Es bestand Einverständnis darüber, dass die Entwicklung des Planetensystems um die Sonne anders verlief als in exoplanetaren Systemen mit Supererden.
Zweitens sind in den meisten derzeit bekannten Systemen Gasriesen dem Zentralstern viel näher als unser Jupiter und Saturn. Manchmal sogar näher an Merkur. An einem solchen Ort könnten keine Riesen entstehen - die Strahlung eines Sterns würde einfach die Bildung der Planeten verhindern. Dies bedeutet, so schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass Riesen weit vom Stern entfernt gebildet werden. Dann werden sie jedoch durch die von der protoplanetaren Scheibe verbleibende Substanz verlangsamt und bewegen sich näher in die Umlaufbahnen.
In unserem System hatte die Verzögerung jedoch völlig andere Konsequenzen - die Riesenplaneten befinden sich immer noch ziemlich weit von der Sonne entfernt.
Zeit für die Migration
Und im Jahr 2010 stellte die Gruppe von Kevin Walsh eine Hypothese auf, die sowohl das Fehlen von Supererden im Sonnensystem als auch die relative Entfernung von Gasriesen durch ein und dasselbe Ereignis erklärte - die sogenannte Great Tack-Hypothese.
Laut Walsh wanderte Jupiter aus einer Umlaufbahn von 3,5 astronomischen Einheiten (ungefähr 525 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, eine astronomische Einheit entspricht der durchschnittlichen Entfernung von der Erde zur Sonne), als das Sonnensystem 1 bis 10 Millionen Jahre alt war und sich die terrestrischen Planeten noch nicht gebildet hatten. in eine Umlaufbahn von 1,5 astronomischen Einheiten, wo sich jetzt der Mars befindet. Dort stoppte der Riesenplanet, vermutlich aufgrund der Schwerkraft des Saturn, der nach Jupiter in eine Umlaufbahn 2 astronomischer Einheiten von der Sonne wanderte. Der Riese bewegte sich dann langsam zurück, bis er zu seiner aktuellen Umlaufbahn von 5 astronomischen Einheiten zurückkehrte.
Ohne die Migration von Jupiter und Saturn, die von ihm weggetragen wird, zur Sonne und zurück würde die innere Region des Sonnensystems (oben) jetzt (unten) so aussehen.
Die Hypothese des großen Manövrierens erklärte treffend viele höchst ungewöhnliche Merkmale des Sonnensystems. Jupiter musste während seiner Reise zur Sonne und zurück den Ort der Bildung der terrestrischen Planeten von der "zusätzlichen" Masse an Gas und Staub befreien und ihnen die Möglichkeit nehmen, Supererden zu werden. Gleichzeitig waren die Orte, an denen der Mars und der Asteroidengürtel gebildet wurden, am stärksten von der Schwerkraft des Riesenplaneten betroffen, was zu ihrer ungewöhnlich kleinen (und unter dem Gesichtspunkt der Entwicklung des Sonnensystems) solchen Masse führte.
Bei aller Attraktivität der Hypothese sieht sie jedoch ziemlich kompliziert aus, weshalb viele Astronomen immer noch an ihrer Richtigkeit zweifeln. In der neuen Arbeit beschlossen Rene Eller und Co-Autoren zu testen, welche Auswirkungen das Große Manöver auf die Monde des Jupiter haben könnte. Ihre Idee ist einfach: Es ist notwendig, die Entwicklung des Sonnensystems mit und ohne Manöver zu simulieren und dann die Ergebnisse zu vergleichen. Wenn Simulation mit Manövrieren eher der Wahrheit entspricht, bedeutet dies, dass die neue Arbeit ein weiterer Beweis für die Hypothese ist. Wenn ohne Manövrieren, dann sei es so - es bedeutet, dass die Hypothese eines wandernden Jupiter zu exotisch ist.
Von größtem Interesse für solche Simulationen sind Ganymed und Callisto, zwei große Jupiter-Satelliten, halb Wasser und halb Feststoff. Tatsache ist, dass sich diese Körper vor dem eigentlichen Manövrieren gebildet haben sollten, wenn die Manövrierhypothese korrekt ist: Objekte mit einem solchen Anteil an Wassereis erscheinen nicht an Orten, die näher an einer bestimmten Entfernung von der Sonne liegen. Nach den Berechnungen der Autoren konnten Callisto und Ganymed unter Berücksichtigung des Einflusses des jüngsten Jupiter und seiner zirkumplanetaren Scheibe nicht näher als 4 astronomische Einheiten aus der Sonne hervorgehen
Titan (in der unteren linken Ecke) ist in Größe und Schwerkraft nicht weit vom Mond entfernt, aber wo es sich bildete, gab es mehr leichte Elemente, daher hat ein relativ kleiner Satellit eine viermal dichtere Stickstoffatmosphäre als die Erde.
Welche Spuren könnte das große Tacking auf den Satelliten hinterlassen? Es dreht sich alles um die Atmosphäre. Die Autoren der Arbeit gingen von der Annahme aus, dass die Atmosphäre des Saturnmondes Titan und der jetzt atmosphärischen Jupiter Callisto und Ganymed anfangs ähnlich waren, ebenso wie ihre Massen und Formationszonen.
Gleichzeitig sagen Schätzungen bestehender Modelle, dass die Titanatmosphäre, die viermal dichter als die der Erde ist, durch Gravitationsmittel nicht früher als in einer Million Jahre verloren gehen kann. Selbst wenn sich diese Zahl für die Satelliten des Jupiter um ein Vielfaches verringert, könnte eine solche Atmosphäre während der Lebensdauer des Sonnensystems von ihnen einfach nicht verloren gehen. Daher schlugen Wissenschaftler vor, dass die Erwärmung der Satelliten, die durch die Gezeitenkräfte des Gasriesen verursacht wird, eine Schlüsselrolle beim Verlust der Atmosphäre spielt.
Gleichzeitig zeigte die Modellierung ohne Anheften, dass Jupiter trotz des starken Gravitationsfeldes nur bei Satelliten in der Nähe dieses Planeten wie Io und Europa für Erwärmung und Verlust der Gashülle sorgen konnte. Aber Ganymede und Callisto würden sich hinter der "Schneegrenze" der primären Jupiter-nahen Scheibe befinden und hätten die Atmosphäre durch Erwärmung nicht verlieren können.
Anscheinend ist Callisto reich an leichten Elementen (wie Titan) und hat sogar einen Ozean unter dem Eis, aber keine signifikante Atmosphäre.
Als die Autoren der Arbeit die Auswirkungen des Großen Manövers in ihre Modellierung einführten, "platzierten" sie Jupiter mit seiner Scheibe bei 1,5 AE. Von der Sonne, wo sie etwa zehnmal mehr Sonnenstrahlung erhalten würde, hat sich die Situation geändert.
Nach modernen Daten emittierte die Sonne in den ersten Millionen Jahren ihres Lebens 100- bis 10.000-mal mehr Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung als jetzt. Ein Körper mit einer Stickstoffatmosphäre wie die gegenwärtige Erde oder Titan verlor unter solchen Bedingungen unweigerlich seine Gashülle. Tatsache ist, dass die Energie der Photonen einer solchen Strahlung viel höher ist als die des sichtbaren Lichts, und nachdem sie diese absorbiert hatten, mussten die Stickstoffpartikel schnell eine Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde erreichen und die Atmosphäre verlassen. Nach den Berechnungen der Autoren würde unter solchen Bedingungen die primäre Stickstoffatmosphäre der Erde in nur wenigen Millionen Jahren verloren gehen. Und Körper wie Ganymed und Callisto in einer Umlaufbahn von 1,5 AE. hätte ihre Atmosphäre noch schneller verlieren sollen.
Diese Schlussfolgerung unterscheidet das Great Manoeuvre-Modell positiv von der Annahme, dass die Planetenbahnen unverändert bleiben. Im Rahmen des letzteren ist es sehr schwer vorstellbar, wie genau Jupiters Satelliten ihre Atmosphäre verlieren könnten, ohne dabei Wassereis zu verlieren.
Titan hat seine eigene Atmosphäre
Um zu erklären, warum Titan unter diesen Bedingungen zusammen mit Saturn in 2 AE seine Atmosphäre nicht verloren hat. Von der Sonne aus stützten sich die Autoren auf Daten aus der Modellierung der primären zirkumplanetaren Scheibe des Saturn. Demnach konnte sich Titan als Satellit vor dem Großen Manöver nicht bilden. Die Planeten der Sonne wurden, wie wir in exoplanetaren Systemen sehen, unterschiedlich schnell gebildet, und als der massereichste (Jupiter) diesen Prozess bereits abgeschlossen hatte, hatte Saturn noch nicht etwa 10 Prozent seiner Masse "gewonnen". Dies bedeutet, dass es zum Zeitpunkt des Großen Manövers noch aktiv Materie von seiner zirkumplanetaren Scheibe absorbierte. Unter solchen Bedingungen würde Titan, wenn er in diesem Moment existierte, sicherlich auf Saturn fallen. Daher kommt Eller zu dem Schluss, dass sich Titan in Wirklichkeit nur wenige hunderttausend Jahre nach Abschluss des Manövers gebildet haben könnte.
Wie hatte die Erde unter solchen Bedingungen eine Stickstoffatmosphäre? Die Autoren weisen darauf hin, dass nach einer Reihe anderer Arbeiten in der Primäratmosphäre der Erde mit ihrer signifikanten Schwerkraft viel Kohlendioxid vorhanden war, das auf völlig andere Weise mit energetischen Photonen wechselwirkt und nach deren Absorption die empfangene Energie effektiv in den Weltraum zurückgeben und die oberen Schichten der damaligen Erdatmosphäre effektiv abkühlen könnte …
Astronomen kommen zu dem Schluss, dass es in der gegenwärtigen Konfiguration des Sonnensystems fast unmöglich ist, ein anderes Szenario vorzuschlagen, in dem einige Satelliten der Riesenplaneten eine viermal dichtere Atmosphäre als die Erde haben, während andere sie überhaupt nicht haben. Im Rahmen der Hypothese des großen Manövrierens kann das gegenwärtige Erscheinungsbild der Satelliten Jupiter und Saturn jedoch viel erfolgreicher erklärt werden, als wenn wir annehmen, dass diese beiden Planeten niemals zur Sonne und zurück gewandert sind.
Gleichzeitig weist die Hypothese viele ungelöste Probleme auf. Der Schlüssel ist immer noch, dass es äußerst schwierig ist, es vollständig zu überprüfen. In unserem System hat sich in den letzten 4,5 Milliarden Jahren zu viel verändert, und viele wichtige Faktoren, die die frühe Periode seiner Geschichte beeinflusst haben, können nur indirekt wiederhergestellt werden. Es geht nicht nur um die Geschwindigkeit von Migrationsprozessen, die stark von der nicht ganz klaren Dichte der alten zirkumsolaren protoplanetaren Wolke abhingen. Eine Reihe von Modellen zwingen uns zu der Annahme, dass Gasriesen während der damaligen Migrationsprozesse einen oder zwei große Planeten durch Gravitationswechselwirkung aus dem Sonnensystem ausgestoßen haben könnten, und in diesem Fall geben die von uns beobachteten Körper möglicherweise keine vollständig erschöpfenden Informationen über vergangene Ereignisse. Für eine vollständigere Bestätigung der Hypothese werden vollständigere Beobachtungsdaten für denselben Ganymed und Callisto benötigt, die Ellers Gruppe vom europäischen Raumschiff JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE) erhalten möchte, das 2022-2030 zu den Monden des Jupiter reisen soll.
Boris Alexandrow
