Nauka

Szał ciał

Wspomnienia z kosmicznej wojny

W układzie planetarnym gwiazdy Corvi trwa wielkie bombardowanie. Planetoidy są zbudowane z zestalonych gazów, które w pobliżu gwiazdy sublimują. Kosmiczny Teleskop Spitzer. W układzie planetarnym gwiazdy Corvi trwa wielkie bombardowanie. Planetoidy są zbudowane z zestalonych gazów, które w pobliżu gwiazdy sublimują. Kosmiczny Teleskop Spitzer. NASA/JPL - Caltech
Ryzyko, że w tym roku wydarzy się jakaś wielka kosmiczna katastrofa, jest praktycznie równe zeru. Za to odległa przeszłość Układu Słonecznego mogła być równie dramatyczna, jak wizje końca świata, który rzekomo ma nastąpić w grudniu.

Jeśli wierzyć rozpowszechnianym przepowiedniom, czekają nas w tym roku straszliwe wydarzenia: gigantyczny wybuch na Słońcu może zniszczyć sieci energetyczne i przebiegunować pole magnetyczne Ziemi; nasza planeta zacznie wirować w przeciwną stronę, a przez jej glob przebiegną potężne wstrząsy tektoniczne, wzbudzające fale tsunami o wysokości wielu kilometrów; ponadto tajemnicza planeta Nibiru wytrąci Jowisza z orbity, wskutek czego zapalą się na nim gazy i w naszym układzie planetarnym rozbłyśnie drugie słońce. Mało tego. W grudniu punkt przesilenia zimowego znajdzie się na równiku galaktycznym, co zdarza się tylko raz na 26 tys. lat, i jeśli nawet bezpośrednio nie sprowadza jakichś kosmicznych katastrof, to niechybnie je powinien zapowiadać. Może na przykład zwiastować supernową, która wybuchnie w pobliżu Układu Słonecznego i wysterylizuje naszą planetę śmiercionośnym promieniowaniem gamma, albo spotęgować grawitację czarnej dziury w centrum Galaktyki, po czym Słońce i Ziemia zostaną wessane w Ciemną Szczelinę, ziejącą w Drodze Mlecznej tuż nad gwiazdozbiorem Strzelca.

Od tych apokaliptycznych wizji w Internecie aż huczy (Google wyświetla ponad 3 mln stron z frazą „end of the world 2012”). Co o nich sądzić? Cóż, dokładnie to samo, co o poprzednich końcach świata (patrz: POLITYKA 1). Z pewnością historie o zmianach kierunku wirowania Ziemi, drugich słońcach, pobliskich supernowych i żarłocznych czarnych dziurach łączy jedno: ich autorzy nie mają pojęcia, o czym piszą.

Nie potrafimy przewidywać wybuchów Słońca, ale nawet gdyby duży obłok słonecznej plazmy skierował się w naszą stronę, mielibyśmy wystarczająco dużo czasu, by spokojnie wyłączyć urządzenia narażone na uszkodzenie, minimalizując w ten sposób straty. Wielkie kosmiczne kolizje zdarzają się nawet dość często (w latach 1994 i 2009 byliśmy świadkami zderzenia sporej komety z Jowiszem); nic jednak nie wskazuje, by w najbliższych dziesięcioleciach podobny kataklizm miał zagrozić Ziemi.

Wielkie bombardowanie

Są za to poważne powody, by przypuszczać, że dawno temu bezprecedensowa (i na szczęście niepowtarzalna) katastrofa wstrząsnęła nie tylko naszą planetą, lecz całym Układem Słonecznym. Wyniki pierwszych prac poświęconych takiej możliwości zostały opublikowane w 2005 r. w prestiżowym tygodniku „Nature” przez Rodneya Gomesa, Harolda Levisona, Alessandro Morbidellego i Kleomenisa Tsiganisa.

Przedstawiony przez nich scenariusz szybko zdobył uznanie specjalistów, którzy ze względu na afiliację autorów, pracujących wówczas w Observatoire de la Côte d’ Azur w Nicei, nazwali go modelem nicejskim. W języku polskim nie brzmi to szczególnie ekscytująco, ale angielski oryginał jest sympatyczną grą słów: „nice” można odczytać jako ni: s (nicejski) lub nais (miły, wyszukany, dokładny, subtelny). Przyjmując to za dobrą monetę trzeba jednak pamiętać, że czwórka astronomów z Nicei opisuje tylko pewną wizję wydarzeń, które w rzeczywistości mogły potoczyć się zupełnie inaczej.

Pytania pojawiły się w połowie lat 70. Badając skały księżycowe przywiezione na Ziemię przez załogi statków Apollo stwierdzono wtedy, że liczne fragmenty skorupy naszego satelity mogły ukształtować się w wyniku krótkotrwałej, lecz intensywnej serii uderzeń dużych meteorytów i planetoid. Ten zmasowany ostrzał, znany w literaturze astronomicznej jako „opóźnione wielkie bombardowanie” (ang. Late Heavy Bombardment – LHB) miał rozpocząć się około 3,8 mld lat temu (czyli 700 mln lat po powstaniu Układu Słonecznego) i trwać przez kilkadziesiąt milionów lat.

Jeśli rzeczywiście do niego doszło, to Księżyc nie mógł być wyjątkiem: podobne kataklizmy musiały przetoczyć się przez Ziemię i sąsiadujące z nią planety. Na Ziemi – ze stratą dla nauki, ale z niewątpliwą korzyścią dla nas – ich ślady zostały zatarte wskutek wędrówki płyt tektonicznych i erozji atmosferycznej. Powierzchnia Wenus jest ukryta pod nieprzezroczystą atmosferą i niemal wszystko, co o niej wiemy, zawdzięczamy badaniom radarowym przeprowadzonym w pierwszej połowie lat 90. przez amerykańską sondę Magellan. Ich wyniki nie są zachęcające – prawdopodobnie około pół miliarda lat temu cała planeta została zalana grubą warstwą lawy.

Wydaje się za to, że mnóstwo pamiątek po LHB przetrwało na południowej półkuli Marsa oraz na Merkurym, gdzie kratery są bardzo liczne, a ich średnice dochodzą – odpowiednio – do 2300 km (Hellas Planitia) i 1500 km (Caloris Basin).

Długo nie umiano wyjaśnić, co było przyczyną wzmożonego bombardowania i dlaczego doszło do niego tak późno. Dopiero na początku lat 90. okazało się, że wskazówki naprowadzające na właściwy trop są ukryte w peryferyjnych obszarach Układu Słonecznego. David Jewitt i Janet Luu z University of Hawaii odkryli wtedy planetoidę krążącą poza orbitą Neptuna, a więc w obszarze, w którym do tej pory niepodzielnie królował Pluton. Dziś wiemy już, że znajduje się tam kilkadziesiąt tysięcy planetoid o średnicy większej niż 100 km (nasz Księżyc ma średnicę ok. 3,5 tys. km), których orbity układają się w przestrzeni w dość gruby pierścień nazwany przez astronomów pasem Kuipera. (Zmarły w 1973 r. Gerard Kuiper, wybitny amerykański badacz Układu Słonecznego, jako jeden z pierwszych rozważał możliwość istnienia obiektów krążących poza orbitą Plutona).

Wewnętrzny i zewnętrzny brzeg pasa Kuipera znajdują się w odległości odpowiednio 35 i 55 jednostek astronomicznych od Słońca (jednostka astronomiczna, j.a., jest równa średniemu promieniowi orbity Ziemi wokół Słońca i wynosi 149 598 000 km; światło pokonuje ten dystans w ciągu 8,3 min). Łączna masa wszystkich znajdujących się w nim planetoid jest dziesięciokrotnie mniejsza od masy Ziemi.

Manko masy

To, że jest tak mała, od razu wydało się astronomom podejrzane. Wokół nowo powstałego Słońca wirował cienki, gazowo-pyłowy dysk protoplanetarny. Z upływem czasu ziarenka pyłu zlepiały się w coraz większe obiekty, z których ostatecznie powstały planetoidy, planety skaliste i jądra planet gazowych. Nie jest to żadna fantazja – w odległości kilkuset lat świetlnych od Słońca odkryto liczne dyski i formujące się układy planetarne, w których można śledzić procesy będące do niedawna przedmiotem rozważań czysto teoretycznych. Poparta obserwacjami teoria prowadzi do zaskakującego wniosku: gdyby początkowa masa pyłu w pasie Kuipera była równa aktualnej masie planetoid, to czas niezbędny do uformowania obiektów o średnicy ponad 100 km byłby dłuższy niż wiek Układu Słonecznego! Narzucone przez teorię i obserwacje wymogi czasowe można spełnić dopiero po kilkusetkrotnym zwiększeniu tej masy. Wniosek jest oczywisty – pas Kuipera został dokładnie „wyczyszczony”. Ale co go wyczyściło i dokąd przeniosło niemal całą jego zawartość?

Księżyc w okresie wielkiego bombardowania - które rozpoczęło sie 3,8 mld lat temu i trwało kilkadziesiąt mln lat - i dzisiaj.Tim Wetherell/Autralian National UniversityKsiężyc w okresie wielkiego bombardowania - które rozpoczęło sie 3,8 mld lat temu i trwało kilkadziesiąt mln lat - i dzisiaj.

 

Brakująca masa to niejedyna zagadka peryferii Układu Słonecznego. Protoplanetarny dysk był tak cienki, że orbity powstających w nim obiektów leżały praktycznie w jednej płaszczyźnie. Aby osiągnął obecną grubość pasa Kuipera, ruchy znajdujących się w nim obiektów musiały zostać silnie zakłócone przez grawitację uformowanych już planet. Najbliżej wewnętrznego brzegu pasa krąży Neptun. Okazuje się jednak, że odpowiedzialnością za zakłócenia nie można obarczyć ani jego, ani którejś z wielkich planet krążących bliżej Słońca (Urana, Saturna lub Jowisza). Nawet połączone siły tej czwórki są na to za słabe. W jaki sposób doszło więc do pogrubienia pasa Kuipera?

Na oba pytania odpowiada model nicejski. Jego autorzy przyjęli, że tuż po powstaniu Układu Słonecznego wielkie planety tworzyły grupę znacznie bardziej zwartą niż obecnie, a w cienkim dysku rozciągającym się za orbitą Neptuna krążyły planetoidy, których łączna masa odpowiadała oczekiwanej masie „niewyczyszczonego” pasa Kuipera. Zmiany zachodzące w takim układzie pod wpływem sił grawitacyjnych badali za pomocą symulacji komputerowych. Okazało się, że początkowe rozmiary orbit planetarnych oraz dysku i początkowa łączna masa planetoid nie mają większego znaczenia, jeśli interesują nas tylko jakościowe aspekty ewolucji, którą w znacznej większości zbadanych przypadków można podzielić na trzy charakterystyczne etapy.

Rezonanse i przetasowania

W pierwszym – odległości między orbitami planet zmieniają się powoli aż do chwili, w której Jowisz i Saturn „wchodzą w rezonans”. Co to jest rezonans, wie każdy, kto bez niczyjej pomocy huśtał się na huśtawce: aby ją rozbujać, trzeba zsynchronizować odpowiednie ruchy ciała z ruchem samej huśtawki.

Na drugim, rezonansowym etapie ewolucji Jowisz obiega Słońce w czasie dwa razy krótszym niż Saturn, co szybko prowadzi do niewielkiego „rozbujania” obu planet. Ich skoordynowane oddziaływanie grawitacyjne zamienia kołowe orbity Urana i Neptuna w wydłużone elipsy. Co najmniej jedna z tych planet zagłębia się w dysk, zaburzając orbity planetoid. Zaburzenia są tak silne, że ogromna większość planetarnej drobnicy zostaje częściowo wyrzucona z Układu Słonecznego, a częściowo zepchnięta do wnętrza orbity Jowisza.

Ten kosmiczny dramat trwa około 100 mln lat, w ciągu których orbity Urana i Neptuna ponownie zamieniają się w okręgi (jednak o średnicach znacznie większych od początkowych), zaś Jowisz i Saturn przysuwają się nieco do Słońca i wychodzą z rezonansu. Co ciekawe, w połowie przebadanych przypadków trzecia od Słońca wielka planeta zamienia się miejscami z czwartą, czyli pierwotny Uran staje się Neptunem, a pierwotny Neptun – Uranem.

Na razie nie sposób wyrokować, czy tak było, ale wykluczyć takiego przetasowania również nie można. Na ostatnim, trwającym aż do dziś, etapie ewolucji orbity planet pozostają niemal niezmienione, zaś resztka planetoid stopniowo układa się w pas Kuipera. Przy odpowiednim doborze parametrów początkowych planetoidy trafiają do wnętrza Układu Słonecznego w takim czasie i w takiej liczbie, jakich wymaga hipoteza LHB. Co ciekawe i ważne – model nicejski oferuje dodatkowe bonusy, jakich nikt po nim nie oczekiwał.

Każda z czterech wielkich planet ma liczne księżyce nieregularne, które krążą wokół niej po orbitach silnie wydłużonych i nachylonych pod dowolnymi kątami do równika. Domyślano się, że są to przechwycone planetoidy, ale nikt nie umiał przekonująco wytłumaczyć, jak doszło do ich przechwycenia. W modelu nicejskim takie obiekty pojawiają się od razu, gdy Neptun zaczyna spychać planetarny drobiazg do wnętrza Układu Słonecznego.

To samo dotyczy tzw. trojańskich satelitów Jowisza i Neptuna. Te niewielkie ciała krążą wokół Słońca po tej samej orbicie co dana planeta, wyprzedzając ją o 60 stopni lub pozostając w takiej samej odległości za nią. Ich pochodzenia również nie umiano objaśnić, dopóki „same z siebie” nie pojawiły się w symulacjach przeprowadzonych przez astronomów z Nicei.

W listopadzie ubiegłego roku nieoczekiwane wsparcie nicejskiej wizji naszej odległej przeszłości przyszło z układu planetarnego gwiazdy η Corvi, którą można zobaczyć gołym okiem w wiosennym gwiazdozbiorze Kruka (łac. Corvus). Jest ona otoczona dwoma widocznymi w podczerwieni pierścieniami, z których zewnętrzny odpowiada naszemu pasowi Kuipera, zaś wewnętrzny znajduje się w obszarze, który w Układzie Słonecznym rozciągałby się między orbitami Wenus i Marsa. Za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera stwierdzono, że wewnętrzny pierścień jest zbudowany z resztek planetoid, które musiały tam dotrzeć z pierścienia zewnętrznego i zostały rozbite w zderzeniach z jakimiś większymi obiektami. Niewykluczone więc, że na naszych oczach układ η Corvi przeżywa LHB à la Nice...

Polityka 05.2012 (2844) z dnia 01.02.2012; Nauka; s. 63
Oryginalny tytuł tekstu: "Szał ciał"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Klasyki Polityki

Jak dzieci odczuwają i rozumieją ból?

Jeszcze na początku lat 80. uważano, że noworodki w ogóle nie odczuwają bólu! A ponieważ nie potrafią werbalnie wyrazić tego, co czują, nie dbano o ich komfort w szpitalach.

Paweł Walewski
08.08.1998
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną