Među planetolozima je popularna priča u kojoj se kaže da su u dalekoj prošlosti džinovske gasovite planete našeg sistema selile svoje orbite, čime su terale objekte u asteroidnom i Kajperovom pojasu na takve putanje da su oni počeli snažno da se sudaraju sa Zemljom i ostalim komšijskim planetama. Prema gradu Nici u kome se 2005. debatovalo o ovome, čitav model je i dobio ime. O čemu se radi?
Sećam se da smo mi kao klinci u školi učili da je solarni sistem nastao nastao onako kako su to opisali Kant i Laplas još krajem XVIII veka, iz rotirajuće magline od koje je nastalo Sunce, a od ostatka materije, koja se razvukla u tanak disk, nastale su planete i ostala buranija. Naravno, nikome od nas nije padalo na pamet da postavlja neka podpitanja, recimo kako je moguće da Sunce, koje ima 99,9% mase čitavog sistema, ima samo 1% njegovog ugaonog momenta, što znači da bi trebalo da se okreće mnogo brže. U svetu su postojale i novije teorije ali mi o tome nismo znali niti čuli išta.
Nas su putevi odneli na različite strane, a nismo ni sanjali da se neko u svetu ozbiljno bavi ovim temama. Tek, 2005. godine grupa fizičara sa Observatoire de la Côte d'Azur (Nica, Francuska), GEA/OV/Universidade Federal do Rio de Janeiro i Observatório Nacional/MTC (Rio Dežaneiro, Brazil), i Southwest Research Instituta (Boulder, Kolorado) izvršila je seriju proučavanja dinamičke evolucije ranog Sunčevog sistema. Njihov scenario je među kolegama dobio naziv prema gradu Nici, gde su početni radovi i pokrenuti.
Glavna ideja se odnosila na migraciju četiri velike planete sa njihove početne, zbijene konfiguracije, na njihove današnje pozicije, dugo nakon rasturanja prvobitnog protoplanetnog gasovitog diska. Po tome, ovaj model se razlikovao od svih ranijih modela nastanka solarnog sistema. Te planetne migracije su upotrebljene u dinamičkim simulacijama solarnog sistema da bi objasnile istorijske događaje poput kasnog teškog bombardovanja planeta unutrašnjeg solarnog sistema, Ortov oblak, i postojanje populacije malih tela solarnog sistema, uključujući Kajperov pojas, Neptunove i Jupiterove trojance, i brojne transneptunske rezonantne objekte kojima upravlja Neptun. Uspeh u objašnjavanju mnogih posmatranih osobina Sunčevog sistema učinio je da je teorija široko prihvaćena (mada ne i od svih planetnih naučnika) kao danas najrealniji model rane evolucije Sunčevog sistema. Jedna od nedostataka teorije je nastanak satelita u spoljnjem regionu solarnog sistema i Kajperov pojas (o tome detaljnije kasnije).
Dinamička simulacija prikazuje spoljnje planete i pojas planetezimala:
a) početna konfiguracija, pre nego što su Jupiter i Saturn postigli rezonancu 2:1; b) raspršivanje planetezimala po unutrašnjosti solarnog sistema nakon orbitnog pomeranja Neptuna (teget) i Urana (svetlo plavo); c) posle izbacivanja planetezimala pomoću planeta.
OPIS
Četvorica naučnika[1] sa Observatoire de la Côte d'Azur u Nici objavila su 2005. u časopisu “Nature” seriju radova u kojima su objasnili da su se nakon širenja gasova i prašine u promordijalnom solarnom sistemu, četiri džinovske planete našle na udaljenosti od ~5,5 i ~17 AJ od Sunca u skoro kružnim orbitama, ali u mnogo zbijenijoj konfiguraciji nego što su danas. Takođe su rekli da se veliki gusti disk malih, kamenitih i zaleđenih planetezimala, ukupne mase oko 35 Zemljinih masa, formirao dalje od orbita velikih planeta na nekih 35 AJ.
Danas naučnici vrlo teško uspevaju da shvate procese formiranja Urana i Neptuna, pa je razumljiva izjava Levisona, svetski poznatog naučnika sa teksaškog Southwest Research Institura (SwRI[2]), da su “… mogućnosti nastanka Urana i Neptuna skoro beskrajne.” Ipak, on i kolege su uvereni da je Sunčev sistem nastao na sledeći način.
Planetezimali[3] na unutrašnjim ivicama diska povremeno su prolazili kroz proces gravitacionih susreta sa najdaljom spoljnom planetom, usled čega su se njihove orbite neminovno manjale. Ostale planete su raspršivale većinu malih ledenih tela sa kojima su se susretale, razmenjujući ugaoni momenat sa rasejanim objektima a za uzvrat su se (planete) udaljavale, čuvajući ugaoni momenat sistema. Planetezimali su se potom sudarali sa narednom planetom na koju bi naleteli, postepeno pomerajući orbite Urana, Neptuna i Saturna ka spolja. Iako je, gledajući pojedinačno, svaki planetezimal mogao da izazove samo majušnu promenu rotacionog momenta planete, kumulativni efekat tih uzejamnih susreta je bio dovoljan da značajno migrira (pomera) orbite velikih planeta. Taj proces je nastavljen sve dok planetezimali nisu interreagovali sa najunutrašnjijom i najmasivnijom džinovskom planetom, Jupiterom, čija ih je ogromna gravitacija slala na visokoeliptične orbite pa čak izbacivala i van solarnog sistema. To je, zauzvrat, dovelo do toga da se čak i veliki Jupiter pomerio malo unazad.
Niska stopa orbitnih susreta uticala je na brzinu kojom su planetezimali izbacivani iz diska, a odgovarala je brzini migriranja planetnih orbita. Nakon nekoliko stotina miliona godina sporog, postepenog migriranja, Jupiter i Saturn, dve najunutrašnjije planete, postigle su uzejamnu orbitnu rezonancu od 1:2. Takva rezonanca je povećavala njihove orbitne ekscentricitete, destabilišući čitav planetni sistem. Raspored velikih planeta se promenio brzo i dramatično. Jupiter je pogurao Saturna ka njegovoj današnjoj poziciji, a ta relokacija je izazvala uzejamne gravitacione susrete Saturna sa preostala dva “ledena džina”[4], čineći postepeno njihove orbite još ekscentričnijim. Te dve ledene planete su došle u polođaj da su prosto “zaorale” planetezimalni disk, rasejavajuži desetine hiljada planetezimala koji su do tada kružili po stabilnim orbitama po obodu Sunčevog sistema. Taj poremećaj je skoro u potpunosti razvejao promordijalni disk i odneo 99% njegove mase, a taj scenario objašnjava današnje odsustvo guste transneptunske[5] populacije. Pojedini od tih planetezimala su ispaljeni ka unutrašnjosti solarnog sistema, izazivajući iznenadni porast broja udara iz kosmosa zemljolikih planeta, što je nazvano periodom kasnog teškog bombardovanja. Ako je verovati nalazima sa Meseca (misije “Apollo” i meteoriti), taj dramatični događaj se dogodio u uskom intervalu između 3,92 i 3,85 milijardi godina, a reč “kasno” označava da su se Zemlja i ostale susedne kamene planete već formirale i uglavnom dostigle svoje mase.
Konačno, velike planete su dostigle svoje današnje orbitne velike poluose, dok je dina-mičko trenje sa ostacima planetezimalnog diska uzrokovalo smanjivanje njihovog ekscen-triciteta i čineći orbite Urana i Neptina ponovo kružnim.
U nekih 50% inicijalnih modela dr Tsiganisa i njegovog tima sa Aristotelovog fizičkog univerziteta u Solunu, Neptum i Uran su zamenili mesta nakon milijardu godina od nastanka Sunčevog sistema.
OSOBINE SUNČEVOG SISTEMA
Radi simuliranja različitih uslova tokom duge istorije našeg sistema, naučnici su računarski pokretali dinamičke modele Sunčevog sistema sa hipotetički različitim početnim uslovima, čime su proizvodili različite populacije objekata u sistemu. Obzirom da je u modelima bilo moguće menjati početne uslove, svaka populacija[6] je postajala više ili manje brojna, sa tačno određenim orbitnim svojstvima. Matematički dokazati model evolucije ranog solarnog sistema vrlo je teško, jer je evoluciju nemoguće direktno posmatrati. Međutim, uspešnost nekog dinamičkog modela moguće je proveriti poređenjem simulacijom dobijenih pretpostavki o populaciji sa astronomskim posmatranjima te populacije. Danas, računarski modeli Sunčevog sistema koji započinju sa početnim uslovima prema Nicinom scenariju, najviše se po mnogim aspektima podudaraju sa osmatranjima našeg današnjeg sistema.
- Kasno teško bombardovanje
Krateri na Mesecu i zemaljskim planetama predstavljaju jedan od glavnih dokaza kasnog teškog bombardovanja: velikog porasta broja impaktora oko 600 miliona godina nakon formiranja Sunčevog sistema. Broj planetezimala koji su prema nivinom modelu mogli da dospeju do Meseca slažu se sa brojem kratera nastalih u teškom bombardovanju. O ovom događaju bi vredelo napisati poseban tekst.
- Trojanci i asteroidni pojas
Tokom perioda orbitnih poremećaja koji su doveli Jupitera i Saturna do rezonance 2:1, kombinovani gravitacioni uticaj migrirajućih velikih planeta brzo je destabilizovao grupe trojanaca[7] u Jupiterovim i Neptunovim Lagranžovim tačkama stabilnosti L4 i L5. Tokom tog perioda, trojanski koorbitni region je bio, kako se kaže, “dinamički otvoren”. Prem Nicinom modelu, planetezimali su u jednom momentu u velikom broju presecali taj region i privremeno ga naselili. Čim se period orbitne nestabilnosti planeta okončao, trojanski rejon se “dinamički zatvorio”, zarobljavajući planetezimalne objekte koji su se tu zatekli. Današnja populacija trojanaca predstavlja tadašnje raspršene planetezimale iz pimordijalnog asteroidnog pojasa. Takva simulirana populacija podudara se sa Jupiterovim trojancima u uglu libracije[8], ekscentricitertu i velikim uglovima nagiba[9] orbita. Pre toga, njihova inklinacija nije mogla da se objasni.
Isti mehanizam Nicinog modela “kriv” je i za stvaranje Neptunovih trojanaca. Do danas se zna za 9 ovih trojanaca, od kojih je većina malog nagiba i prečnika oko 100 km. Veruje se onih manjih i sa većom inklinacijom ima na stotine.
Takođe je veliki broj planetezimala bio zarobljen u spoljnjem delu asteroidnog pojasa, na udaljenosti većoj od 2,6 AJ (~390 mil. km), kao i u regionu porodice asteroida Hilda. Takvi objekti su potom bili izlagani eroziji izazvanoj (bez)brojnim sudarima, usitnjavajući populaciju do te mere da su fragmenti bili izlagani solarnom vetru i efektu Jarkovski, usled čega je oduvano više od 90% mase. To sugeriše da su svi Jupiterovi trojanci, Hilde, kao i neki drugi objekti spoljnjeg dela asteroidnog pojasa – sve asteroidi spektralnog tipa-D – ostaci planete-zimala iz perioda “dinamičke otvorenosti” i perioda erodiranja. Danas sve više planetologa misli da u te preostale objekte spada i patuljasta planeta Ceres, koju će koliko već sledeće godine ispitati sonda “Dawn”.
Dijagram unutrašnjeg solarnog sistema prokazuje Jupiterove trojance (zeleno) ispred i iza Jupitera na njegovoj orbiti. Porodica L4 broji oko 630.000 prečnika 2 km i više, a L5 oko 340.000, te ih ukupno ima oko milion. Ukupna masa Jupiterovih trojanaca iznosi 0,0001 mase Zemlje, ili 1/5 mase asteroidnog pojasa. Drap bojom su označeni asteroidi familije Hilda, kojih ima preko 1000.
- Sateliti spoljnjeg sistema
Sve originalne populacije nepravilnih satelita[10] koje su bile zarobljene tradicionalnim mehanizmima, kao što su kočenje ili sudari sa akrecionim diskom, izgubljene su u periodu nestabilnosti globalnog sistema tokom interakcije sa planetama. Prema Nicinom modelu, veliki broj planetezimala stupao je u kontakt sa (u to vreme) spoljnjim planetama te je bio ulovljen tokom trostruke interakcije sa tim planetama. Verovatnoća da neki planetezimal bude zarobljen od strane nekog ledenog džina (Urana i Neptuna) bila je relativno visoka – oko par 10-7. Ti novi sateliti su mogli da budu uhvaćeni pod bilo kojim uglom, te za razliku od pravilnih satelita Saturna, Urana i Neptuna, nisu nužno morali da kruže oko planete u njenoj ekvatornoj ravni. Triton[11], najveći Neptunov satelit i jedan od najtajanstvenijih svetova solarnog sistema, mogao bi biti objašnjen ako bi prihvatili da je uhvaćen pomoću trostruke interakcije koja je razdvojila jedan binarni planetoid, čiji je Triton bio manje masivni član (Cuk & Gladman 2005). Naravno, takvo binarno razvajanje generalno ne može biti uzrok proizvodnji većeg broja malih nepravilnih satelita. Neki od njih su čak bili razmenjivani i između samih planeta.
Ovaj dijagram prikazuje orbite Saturnovih nepravilinih satelita. U sredini, orbita Titana, pravilnog satelita, prikazana je radi poređenja u crvenoj boji. Saturn ih ima 38, Uran 9, Neptun 7, a Jupiter 59.
Predpostavljene orbite nepravilnih satelita se u velikom procentu podudaraju sa posmatranom populacijom što se tiče njihovih velikih poluosa, nagiba i ekscentriciteta orbita, ali ne i sa distribucijom njihovih veličina. Moguće je da su kasniji sudari između tih zarobljenih satelita kreirali kolizione porodice koje srećemo danas. Ti sudari (kolizije) su takođe odgovorni i za današnju distribuciju veličina.
U izvršenim simulacijama nije bilo dovoljno interakcija sa Jupiterom koje bi objasnile Jupiterovu pratnju nepravilnih satelita, sugerišući da ili su neki drugi mehanizmi uticali na tu planetu, ili da je neke parametre Nicinog modela neophodno revidirati.
- Nastanak Kajperovog pojasa
Migriranje spoljnjih planeta je takođe odgovorno i za postojanje i svojstva najudaljenijih oblasti Sunčevog sistema. Prvobitno, Kajperov pojas je bio daleko gušći i bliži Suncu, sa spoljnjim regionima na oko 30 AJ[12]. Unutrašnje ivice su se nalazile odmah iza orbita Urana i Neptuna, koji su u vreme formiranja bili mnogo bliži Suncu (najverovatnije negde između 15-20 AJ), i obrnuto raspoređeni, tj. sa Uranom koji je bio dalji od Sunca od Neptuna.
Neki od rasejanih objekata[13], uključujući Pluton, postajali su gravitaciono vezani za Neptunovu orbitu, dovodeći do orbitnih rezonanci. Nicin model je prihvaćen i zbog svoje sposobnosti da objasni sadašnje rezonance u Kajperovom pojasu, posebno rezonance 2:5[14]. Kako se Neptun pomerao ka spolja, približavao se objektima u proto-Kajperovom pojasu i hvatao neke od njih u rezonancu a druge slao u haotične orbite. Veruje se da su se tela u disku rasejanih objekata obrela na današnjim pozicijama interreagujući sa Neptunovim migrirajućim rezonantnim satelitima.
Međutim, Nicin model ipak ne uspeva da objasni sve karakteristike procesa distribucije objekata. Mada je u stanju da objasni veliki nagib orbita „vrele populacije“[15] u Kajperovom pojasu kao i mali nagib „hladne populacije“, model predviđa veći prosečni ekscentricitete klasičnih Kajperovih objekata nego što nam pokazuju posmatranja (0,10-0,13 naspram 0,07).
Dve navedene populacije se ne razlikuju samo prema različitim orbitama već i po drugačijoj boji; hladna populacija je upadljivo crvenija od hladne, nabacujući ideju da su drugačijeg sastava i da su nastali u sasvim drugom regionu. Veruje se da je crvena populacija nastala bliže Jupiteru i da je odbačena dalje tokom premeštanja četiri džina. S druge strane, izgleda da je hladna populacija formirana manje-više na današnjoj poziciji.
Model takođe ima problem da objasni čestu pojavu uparenih objekata, od kojih su mnogi prilično udaljeni i u labavoj vezi.
Današnji Kajperov pojas je pun kometa, asteroida i drugog materijala. Uslovno je podeljen na 3 dinamičke celine. Pvu čine “plutinosi” i oni su u stabilnoj rezonanci 3:2 sa Neptunom te stoga ne reaguju sa drugim planetama sistema. Drugu grupu čine klasični objekti, ili “cubewanosi”, i oni ne reaguju sa ostalim planetama zbog kružnih orbita i velike udaljenosti (˃42 AJ). Posledna grupa su objekti rasuti po disku koji imaju veći ekscentricitet i naleza se na više od 100 AJ od Sunca.
Kajperov pojas i orbitne rezonance njegovih stanovnika.
EVOLUCIJA NICINOG MODELA
Od kada je pre desetak godina obelodanjen, model je doživeo neke značajne promene. Početni uslovi modela su morali da budu izmenjeni, čemu su doprineli rezultati istraživanja ponašanja planeta koje kruže u gasovitom disku sa četvorostrukom rezonantnom konfiguracijom[16] sa Jupiterom i Saturnom a pri njihovoj uzajamnoj rezonanci 3:2. Pokazalo se da je gravitaciono mešanje spoljnjih delova planetezimalnog diska, sa objektima veličine Plutona, dovelo do narušavanja četvorostrukih rezonanci. Ti mehanizni su doveli do kasnije nestabilnosti rezonantnih planeta, što je dovelo do stvaranja Nica 2 modela.
Blago razdvajanje Jupitera i Saturna dovelo je do povećavanja ekscentriciteta orbita zeljolikih planeta preko sadašnjih vrednosti, i stvaranja asteroidnog pojasa sa prekomernim odnosom objekata sa velikim i malim nagibom posle migracije. Originalni Nicin model je baratao sporim približavanjem Jupitera i Saturna njihovoj uzejamnoj rezonanci od 3:2, što je bilo neophodno da bi se došlo do sklada sa vremenom kasnog velikog bombardovanja, ali on je rezultirao izbacivanjem Marsa i destabilizacijom unutrašnjeg Sunčevog sistema. Da bi se izbegle takve pojave uvedena je teorija stepenastog razdvajanja orbita Jupitera i Saturna, nazvana Jumping-Jupiter scenario, po kome je izgleda postojalo 5 velikih planeta ali je jedna izbačena tokom perioda nestabilnosti.
[1] Misli se na međunarodni tim sastavljen od planetnih naučnika specijalizovanih za planetnu dinamiku R. Gomesa, H. Levisona, A. Morbidellija i K. Tsiganisa.
[2] Meni je zanimljivo da je institut još 1947. osnovao jedan naftni biznismen. Danas u svakom trenutku rade na makar 2000 projekata koje ravnopravno finansiraju i država i komercijalni sektor. Prošle godine je njihovih 2800 zaposlenih inkasiralo oko $600 miliona.
[3] Opšteprihvaćena teorija o formiranju planeta, tzv. plantezimalna hipoteza ruskog astronoma Viktora Sergejeviča Safronova (1917-99), tvrdi da su planete nastale od čestica kosmičke prašine koje su se sudarale i slepljivale stvarajući sve veća tela. Kada su dostigla oko 1 km u prečniku, ta tela (planetezimali) počela su da se uzejamno gravitaciono privlače, narastajući do protoplaneta veličine Meseca. Mnogi planetezimali su se raspadali usled čestih sudara, kao što se to dešavalo sa (4) Vestom i (90) Antiopom, ali neki su pređiveli te sudare i neprestano rasli do veličine protoplaneta i kasnije, planeta.
[4] Tokom devedesetih je zaključeno da Uran i Neptun pripadaju posebnoj klasi velikih planeta, jer sadrže samo oko 20% vodonika, naspram 90% kod „gasnih džinova“ – Jupitera i Saturna.
[5] Uopšteno, bilo koja mala planeta koja se okreće oko Sunca na većoj prosečnoj udaljenosti od Neptuna. Prvi otkriveni je bio Pluton, a potom i (15760) 1992 QB1. Danas se zna na hiljade tih objekata, od čega je ~200 dobilo oznake za male planete. Najveći su Eris, Pluton, Makemake i Haumea.
[6] U našem sistemu to mogu da budu planete, Kajperov pojas, rasuti disk, Ortov oblak, i sl.
[7] Tela koja se nalaze na zajedničkoj orbiti sa nekom planetom ili njenim prirodnim satelitom ali se nikada ne sudara s njima jer se okreću oko jedne od dve Lagranžove tačke stabilnosti (L4 i L5), koje su na ~60° ispred odn. iza velikog tela. Trojance imaju Zemlja, Mars, Jupiter i Uran.
[8] Jupiterovi trojanci ne zadržavaju fiksnu udaljenost od Jupitera. Ono lagano libriraju oko odgovarajuće ravnotežne tačke, periodično se udaljavajući/približavajući planeti. Uobičajeno, kreću se po orbiti u obliku punoglavca, sa periodom od oko 150 god. Amplituda libracije (duž Jupiterove orbite) varira od 0,6° do 88°, dok u proseku iznosi oko 33°.
[9] Mnogi Jupiterovi trojanci imaju orbite koje su u odnosu na ravan planete nagnuti i do 40°.
[10] To su prirodni sateliti koji se kreću udaljenim, nagnutim, i često ekscentričnim i retrogradnim orbitama. Do sada je otkriveno 113 nepravilnih, koji se svi okreću oko 4 najveće planete. Phoebe je najveći Saturnov nepravilni satelit, a Himalia najveći Jupiterov. Smatra se da u svi ti nekada heliocentrični sateliti naprosto bili zarobljavani od strane svojih planeta, neposredno po formiranju planeta.
[11] Jedini veliki mesec u Sunčevom sistemu sa retrogradnom orbitom, tj. okreće se u suprotnom pravcu od planete. Po građi je sličan Plutoni, te se smatra da je ulovljen kao objekat Kajperovog pojasa.
[12] Danas je eliptična orbita Plutona na 30-49 AJ (4,4-7,4 mil. km.) od Sunca. Ove godine je na 32,6 AJ od Sunca.
[13] Objekti velikog nagiba i perihela, koji spadaju u širu porodicu transneptunaca. Disk takvih objekata je nastao usled gravitacionog „rasejavanja“ malih planeta (planeta patuljaka, asteroida, trojanaca, kentaura, objekata Kajperovog pojasa, i drugih transneptunskih objekata). Unutrašnji deo diska kojeg čine ti rasejani objekti se preklapaju sa objektima Kajperovog pojasa (tzv. “cubewanosi”), ali spoljnje granice se šire mnogo dalje od Sunca dalje iznad i ispod ekliptike od Kajperovog pojasa. Veruje se da mnogi objekti Ortovog oblaka imaju poreklo u disku rasejanih objekata.
[14] Takvih objekata ima malo (oko 11), udaljeni su oko 55,4 AJ, a period im je oko 410 godina. Najpoznatija je (84522) 2002 TC302, kandidat za planetu patuljka procenjenog prečnika ~585 km. Dok Neptun načini 5 orbita, ova planetica (“plutino”) načini 2.
[15] Većina Kajperovih objekata se nalazi između orb. reonance 2:3 sa Neptunom (naseljeni tzv. „plutinosima“) i rezonance 1:2. Plutinosi često imaju imaju ekscentričnu orbitu koja ih kadkad dovodi bliže Suncu nego Neptunu.
Većina KBO objekata ima mali nagib i skoro kružne orbite i nazivaju se „hladnom populacijom“. Manji deo („vrela populacija“) karakteriše veliki nagib i ekscentričnije orbite.
[16] Jedan od primera potencijalno stabilne četvorostruke rezonantne konfiguracije je rezonanca 3:3 Jupitera i Saturna, 3:2 Saturna i Urana, i 4:3 Urana i Neptuna.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
