Księżyc i jego ciemne plamy. Źródło zdjęcia: NASA. Kliknij, aby powiększyć.
Ludzi z każdej kultury fascynują ciemne „plamy” na Księżycu, które wydają się komponować postać królika, żab lub twarzy klauna. Dzięki misjom Apollo naukowcy odkryli, że te cechy są tak naprawdę ogromnymi basenami uderzeniowymi, które zostały zalane zastygłą lawą. Jedną niespodzianką było to, że te baseny powstały stosunkowo późno w historii wczesnego Układu Słonecznego - około 700 milionów lat po powstaniu Ziemi i Księżyca. Wielu naukowców uważa obecnie, że te misy uderzenia księżyca świadczą o ogromnym wzroście wskaźnika bombardowania planet - zwanego późnym ciężkim bombardowaniem (LHB). Przyczyna tak intensywnego bombardowania jest jednak przez wielu uważana za jedną z najlepiej zachowanych tajemnic historii Układu Słonecznego.
W serii trzech artykułów opublikowanych w tym tygodniu w czasopiśmie Nature, międzynarodowy zespół planetologów, Rodney Gomes (National Observatory of Brazil), Harold Levison (Southwest Research Institute, Stany Zjednoczone), Alessandro Morbidelli (Observatoire de la C te te d'Azur, Francja) i Kleomenis Tsiganis (OCA i University of Thessaloniki, Grecja) - połączone przez program dla gości zorganizowany w Observatoire de la C? te d'Azur w Nicei - zaproponowali model, który nie tylko naturalnie rozwiązuje tajemnica powstania LHB, ale wyjaśnia także wiele zaobserwowanych cech zewnętrznego układu planetarnego.
Ten nowy model przewiduje, że cztery gigantyczne planety, Jowisz, Saturn, Uran i Neptun, uformowały się w bardzo zwartą konfigurację orbitalną, otoczoną dyskiem małych obiektów wykonanych z lodu i skały (znanych jako „planetozymale”). Symulacje numeryczne przeprowadzone przez zespół z Nicei pokazują, że niektóre z tych planetozymali powoli wyciekły z dysku z powodu grawitacji planet. Planety rozproszyły te mniejsze obiekty w całym Układzie Słonecznym, czasem na zewnątrz, a czasem do wewnątrz.
„Jak nauczył nas Izaak Newton, dla każdej akcji występuje równa i przeciwna reakcja”, mówi Tsiganis. „Jeśli planeta wyrzuci planetę z układu słonecznego, planeta porusza się w kierunku Słońca, tylko odrobinę, w ramach kompensacji. Z drugiej strony, jeśli planeta rozproszy planetę do wewnątrz, planeta skacze nieco dalej od Słońca. ”
Symulacje numeryczne pokazują, że Jowisz poruszał się średnio do wewnątrz, podczas gdy inne gigantyczne planety poruszały się na zewnątrz.
Początkowo był to bardzo powolny proces, zajmujący miliony lat, zanim planety poruszały się w niewielkim stopniu. Następnie, zgodnie z tym nowym modelem, po 700 milionach lat sytuacja nagle się zmieniła. W tym czasie Saturn migrował przez punkt, w którym jego okres orbitalny był dokładnie dwa razy większy niż okresu Jowisza. Ta specjalna konfiguracja orbit spowodowała, że orbity Jowisza i Saturna nagle stały się bardziej eliptyczne.
„To spowodowało, że orbity Urana i Neptuna oszalały”, mówi Gomes. „Ich orbity stały się bardzo ekscentryczne i zaczęły się grawitacyjnie rozpraszać - a także Saturn”.
Zespół z Nicei twierdzi, że ta ewolucja orbit Urana i Neptuna spowodowała LHB na Księżycu. Ich symulacje komputerowe pokazują, że planety te bardzo szybko przeniknęły do tarczy planetoidalnej, rozpraszając obiekty w całym układzie planetarnym. Wiele z tych obiektów weszło do wewnętrznego układu słonecznego, gdzie uderzyło w Ziemię i Księżyc uderzeniami. Ponadto cały proces zdestabilizował orbity planetoid, które następnie przyczyniłyby się do powstania LHB. Wreszcie efekty grawitacyjne tarczy planetoidalnej spowodowały ewolucję Urana i Neptuna na ich obecnych orbitach.
„To bardzo przekonujące” - mówi Levison. „Przeprowadziliśmy kilkadziesiąt symulacji tego procesu i statystycznie planety wylądowały na orbitach bardzo podobnych do tych, które widzimy, z prawidłowymi separacjami, mimośrodami i nachyleniami. Oprócz LHB możemy również wyjaśnić orbity wielkich planet. Żaden inny model nigdy wcześniej nie osiągnął żadnej z tych rzeczy. ”
Jednak do pokonania była jeszcze jedna przeszkoda. Układ słoneczny zawiera obecnie populację asteroid, które poruszają się zasadniczo na tej samej orbicie co Jowisz, ale prowadzą tę planetę na odległość kątową około 60 stopni. Symulacje komputerowe pokazują, że ciała te, zwane „asteroidami trojańskimi”, zostałyby utracone w wyniku zmiany orbit wielkich planet.
„Siedzieliśmy kilka miesięcy martwiąc się tym problemem, co zdawało się unieważniać nasz model” - mówi Morbidelli - „dopóki nie zdaliśmy sobie sprawy, że jeśli ptak może uciec z otwartej klatki, inny może przyjść i zagnieździć się w nim”.
Zespół z Nicei odkrył, że niektóre z obiektów, które kierowały ewolucją planet, a które spowodowały LHB, również zostałyby schwytane na orbitach asteroid Trojan. W symulacjach uwięzione trojany okazały się odtwarzać rozkład orbitalny obserwowanych trojanów, co do tej pory nie było wyjaśnione. Całkowita przewidywana masa uwięzionych obiektów była również zgodna z obserwowaną populacją.
Podsumowując, nowy model zespołu Nicei w naturalny sposób wyjaśnia niespotykaną dokładność orbity gigantycznych planet, asteroid Trojan i LHB. „Nasz model wyjaśnia tak wiele rzeczy, które naszym zdaniem muszą być w zasadzie poprawne”, mówi Mordibelli. „Struktura zewnętrznego układu słonecznego pokazuje, że planety prawdopodobnie zostały wstrząśnięte dobrze po zakończeniu procesu formowania się planet”.
Oryginalne źródło: SWRI News Release
