Menurut hipotesis Great Maneuvering, dahulu kala Jupiter melakukan perjalanan melalui tata surya, menimbulkan kerusakan akibat gravitasinya. Hipotesis ini masih belum sepenuhnya diterima oleh komunitas ilmiah karena kompleksitasnya, tetapi baru-baru ini, bukti baru telah muncul untuk mendukungnya.
Para astronom yang dipimpin oleh René Heller dari McMaster University telah memposting pracetak terkait di arXiv.org, dan makalah itu sendiri telah diterima untuk dipublikasikan di Astronomy & Astrophysics. Untuk lebih memahami mengapa ilmuwan membutuhkan hipotesis semacam itu, ada beberapa pertanyaan penting yang perlu dijawab terlebih dahulu.
Sistem yang tidak biasa
Sampai saat ini, struktur tata surya tidak menimbulkan pertanyaan: tidak ada yang bisa dibandingkan dengannya. Benar, model pembentukan planet dari awan protoplanet yang ada tidak memberikan gambaran yang diamati oleh para astronom dalam praktiknya, tetapi hal ini dikaitkan dengan ketidaksempurnaan model itu sendiri. Penemuan planet ekstrasurya pertama di tahun 90-an abad terakhir tidak terlalu memengaruhi situasi: sampelnya kecil, hanya ada sedikit planet ekstrasurya.
Pada tahun 2009, teleskop Kepler diluncurkan, tujuan utamanya adalah untuk mencari exoplanet. Pada 2015, NASA telah mendaftarkan lebih dari 4 ribu kandidat planet yang dilihat oleh pesawat luar angkasa. Dan setelah seribu yang pertama, menjadi jelas bahwa sistem bintang kami sangat jauh dari tipikal.
Pertama, kita memiliki empat planet seukuran Bumi atau kurang, dan tidak ada satupun super-bumi - benda dengan radius 1,25-2,00 kali Bumi. Pada saat yang sama, dalam sistem bintang yang diteliti oleh teleskop kita, bumi super, sebaliknya, berukuran satu setengah kali lebih besar dari apa yang disebut "planet seukuran Bumi".
Sebagian besar dari 800 "planet terestrial" (kiri) sebenarnya memiliki radius yang sedikit lebih besar dari planet kita, dan dalam massa melebihi dari 1,5 hingga 17 kali; Bumi, Venus, Mars, dan Merkurius secara signifikan lebih ringan daripada planet padat pada umumnya di sistem lain
Video promosi:
Kutipan di sini bukan kebetulan: kelas ini mencakup semua benda dengan radius kurang dari 1,25 Bumi. Tapi kebanyakan dari mereka lebih besar dari planet kita dan secara signifikan lebih berat dari itu (misalnya, Kepler-10c 17 kali lebih besar dari Bumi). Ada pemahaman bahwa perkembangan sistem planet di sekitar Matahari berjalan dengan cara lain selain dalam sistem eksoplanet dengan super-bumi.
Kedua, di sebagian besar sistem yang saat ini dikenal, raksasa gas lebih dekat ke bintang pusat daripada Jupiter dan Saturnus kita. Terkadang bahkan lebih dekat ke Merkurius. Raksasa tidak bisa muncul di tempat seperti itu - radiasi bintang hanya akan mencegah pembentukan planet. Artinya, para ilmuwan menyimpulkan, bahwa raksasa terbentuk jauh dari bintang, namun kemudian diperlambat oleh substansi yang tersisa dari cakram protoplanet, bergerak ke orbit yang lebih dekat.
Namun, dalam sistem kami, perlambatan, jika ada, memiliki konsekuensi yang sangat berbeda - planet raksasa masih terletak cukup jauh dari Matahari.
Waktunya bermigrasi
Dan pada 2010, kelompok Kevin Walsh mengajukan hipotesis yang menjelaskan ketiadaan super-bumi di tata surya dan keterpencilan relatif raksasa gas oleh peristiwa yang sama - yang disebut Hipotesis Grand Tack.
Menurut Walsh, ketika tata surya berusia 1 hingga 10 juta tahun dan planet kebumian belum terbentuk, Jupiter bermigrasi dari orbit 3,5 unit astronomi (sekitar 525 juta kilometer dari Matahari, satu unit astronomi sama dengan jarak rata-rata dari Bumi ke Matahari) ke orbit 1,5 unit astronomi, di mana Mars sekarang. Di sana, planet raksasa berhenti, kemungkinan karena gravitasi Saturnus, yang bermigrasi setelah Jupiter ke orbit 2 unit astronomi dari Matahari. Raksasa itu kemudian mulai bergerak mundur perlahan hingga kembali ke orbitnya saat ini sebanyak 5 unit astronomi.
Jika bukan karena migrasi Yupiter dan Saturnus, yang terbawa olehnya, ke Matahari dan sebaliknya, wilayah bagian dalam Tata Surya (atas) akan terlihat seperti ini sekarang (di bawah).
Hipotesis Manuver Hebat dengan tepat menjelaskan banyak fitur tata surya yang sangat tidak biasa. Yupiter, selama perjalanannya menuju Matahari dan sebaliknya, harus membersihkan tempat pembentukan planet-planet kebumian dari massa "ekstra" gas dan debu, sehingga menghilangkan kesempatan mereka untuk menjadi bumi super. Pada saat yang sama, tempat di mana Mars dan sabuk asteroid terbentuk paling dipengaruhi oleh gravitasi planet raksasa, yang menyebabkan massa mereka sangat kecil (dan dari sudut pandang evolusi tata surya, demikian) massa.
Tetapi untuk semua daya tarik hipotesis, ini terlihat agak rumit, itulah sebabnya banyak astronom masih meragukan kebenarannya. Dalam karya baru, Rene Eller dan rekan penulisnya memutuskan untuk menguji apa efek Manuver Besar pada bulan-bulan Jupiter. Ide mereka sederhana: perlu untuk mensimulasikan perkembangan tata surya dengan dan tanpa manuver, dan kemudian membandingkan hasilnya. Jika simulasi dengan manuver lebih seperti kebenaran, berarti karya baru tersebut akan menjadi bukti lain dari hipotesis tersebut. Jika tanpa manuver, maka terjadilah - itu berarti hipotesis Jupiter yang bermigrasi terlalu eksotis.
Yang paling menarik untuk simulasi semacam itu adalah Ganymede dan Callisto, dua bulan besar Jupiter, setengah air dan setengah padat. Faktanya adalah bahwa jika hipotesis manuver benar, maka kedua benda ini seharusnya sudah terbentuk sebelum manuver sebenarnya: objek dengan proporsi air es yang demikian tidak muncul di tempat yang lebih dekat dengan jarak tertentu dari Matahari. Menurut kalkulasi penulis, dengan mempertimbangkan pengaruh Jupiter termuda dan piringan sirkitplanetnya, Callisto dan Ganymede mungkin berasal tidak lebih dari 4 unit astronomi dari Matahari.
Titan (di pojok kiri bawah) tidak jauh dari Bulan dalam ukuran dan gravitasinya, tetapi tempat terbentuknya lebih banyak unsur cahaya, oleh karena itu satelit yang relatif kecil memiliki atmosfer nitrogen empat kali lebih padat dari Bumi.
Jejak seperti apa yang bisa ditinggalkan oleh Tacking hebat di satelit? Ini semua tentang atmosfer. Para penulis penelitian ini berangkat dari asumsi bahwa atmosfer bulan Saturnus, Titan, dan atmosfer Jupiterian Callisto dan Ganymede, pada awalnya serupa, begitu pula massa dan zona formasi mereka.
Pada saat yang sama, perkiraan model yang ada mengatakan bahwa atmosfer Titan, yang empat kali lebih padat dari Bumi, dapat hilang oleh gravitasi tidak lebih awal dari dalam septillion tahun. Bahkan jika untuk satelit Jupiter, angka ini berkurang beberapa kali, atmosfer seperti itu tidak dapat hilang oleh mereka selama masa tata surya. Oleh karena itu, para ilmuwan menyarankan bahwa pemanasan satelit, yang disebabkan oleh gaya gravitasi pasang surut raksasa gas, memainkan peran kunci dalam hilangnya atmosfer.
Pada saat yang sama, pemodelan tanpa penyambungan menunjukkan bahwa, meskipun terdapat medan gravitasi yang kuat, Jupiter dapat menghasilkan pemanasan dan hilangnya selubung gas hanya di satelit yang dekat dengan planet ini, seperti Io dan Europa. Tapi Ganymede dan Callisto akan berada di belakang "garis salju" dari piringan dekat Yupiter utama dan tidak akan bisa kehilangan atmosfer karena pemanasan.
Ternyata, Callisto kaya akan elemen cahaya (seperti Titan), bahkan memiliki lautan di bawah es, namun tidak memiliki atmosfer yang signifikan.
Ketika penulis karya tersebut memperkenalkan pemodelan mereka, efek Manuver Besar, "menempatkan" Jupiter dengan cakramnya pada 1,5 SA. dari Matahari, di mana ia akan menerima sekitar sepuluh kali lebih banyak radiasi matahari, situasinya telah berubah.
Menurut data modern, Matahari dalam jutaan tahun pertama kehidupannya memancarkan sinar-X dan radiasi ultraviolet 100 hingga 10.000 kali lebih banyak daripada yang dipancarkannya sekarang. Sebuah benda dengan atmosfer nitrogen, seperti Bumi atau Titan saat ini, dalam kondisi seperti itu pasti kehilangan selubung gasnya. Faktanya adalah bahwa energi foton radiasi semacam itu jauh lebih tinggi daripada energi cahaya tampak, dan, setelah menyerapnya, partikel nitrogen harus dengan cepat mencapai kecepatan beberapa kilometer per detik dan meninggalkan atmosfer. Menurut perhitungan penulis, dalam kondisi seperti itu, atmosfer nitrogen utama bumi akan hilang hanya dalam beberapa juta tahun. Dan benda-benda seperti Ganymede dan Callisto di orbit 1,5 AU. seharusnya kehilangan atmosfer mereka lebih cepat.
Kesimpulan ini dengan baik membedakan model Great Maneuvering dari asumsi bahwa orbit planet tetap tidak berubah. Dalam kerangka yang terakhir ini, sangat sulit untuk membayangkan bagaimana tepatnya satelit Jupiter bisa kehilangan atmosfernya tanpa kehilangan es air di sepanjang jalan.
Titan memiliki atmosfernya sendiri
Untuk menjelaskan mengapa, dalam kondisi tersebut, Titan tidak kehilangan atmosfernya, bersama dengan Saturnus dalam jarak 2 AU. dari Matahari, penulis mengambil data dari pemodelan cakram sirkumplanet utama Saturnus. Menurutnya, Titan sebagai satelit tidak dapat terbentuk sebelum Manuver Besar. Planet-planet Matahari, seperti yang kita lihat di sistem eksoplanet, terbentuk pada kecepatan yang berbeda, dan ketika yang paling masif (Jupiter) telah menyelesaikan proses ini, Saturnus belum "memperoleh" sekitar 10 persen massanya. Ini berarti bahwa pada saat Manuver Besar, ia masih aktif menyerap materi dari cakram kelilingnya. Dalam kondisi seperti itu, Titan jika ada saat itu pasti akan jatuh ke Saturnus. Oleh karena itu, Eller menyimpulkan, pada kenyataannya, Titan bisa saja terbentuk hanya beberapa ratus ribu tahun setelah selesainya manuver.
Bagaimana bumi memiliki atmosfer nitrogen dalam kondisi seperti itu? Para penulis menunjukkan bahwa, menurut sejumlah karya lain, di atmosfer utama Bumi dengan gravitasi yang signifikan terdapat banyak karbon dioksida, yang berinteraksi dengan foton energik dengan cara yang sama sekali berbeda, dan setelah menyerapnya, ia dapat secara efektif memancarkan kembali energi yang diterima ke luar angkasa, mendinginkan lapisan atas atmosfer Bumi saat itu. …
Para astronom sampai pada kesimpulan bahwa dalam konfigurasi tata surya saat ini, hampir tidak mungkin untuk mengajukan skenario lain, di mana beberapa satelit dari planet raksasa memiliki atmosfer empat kali lebih padat dari Bumi, sementara yang lain tidak memilikinya sama sekali. Tetapi dalam kerangka hipotesis Manuver Besar, kemunculan satelit Jupiter dan Saturnus saat ini dapat dijelaskan dengan lebih berhasil daripada jika kita mengasumsikan bahwa kedua planet ini tidak pernah bermigrasi ke Matahari dan kembali.
Dan pada saat yang sama, hipotesis tersebut memiliki banyak masalah yang belum terselesaikan. Kuncinya masih sangat sulit untuk memverifikasi sepenuhnya. Terlalu banyak yang telah berubah dalam sistem kita selama 4,5 miliar tahun terakhir dan banyak faktor penting yang memengaruhi periode awal sejarahnya dapat dipulihkan hanya secara tidak langsung. Ini bukan hanya tentang kecepatan proses migrasi, yang sangat bergantung pada kepadatan yang tidak sepenuhnya jelas dari awan protoplanet sirkumsolar kuno. Sejumlah model memaksa kita untuk berasumsi bahwa selama migrasi pada waktu itu, raksasa gas bisa saja mengeluarkan satu atau dua planet besar dari tata surya melalui interaksi gravitasi, dan dalam kasus ini, benda yang kita amati mungkin tidak memberikan informasi yang lengkap tentang peristiwa masa lalu. Untuk konfirmasi hipotesis yang lebih lengkap, diperlukan data observasi yang lebih lengkap untuk Ganymede dan Callisto yang sama, yang diharapkan dapat diterima oleh kelompok Eller dari pesawat ruang angkasa Eropa JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), yang akan melakukan perjalanan ke bulan-bulan Jupiter pada tahun 2022-2030.
Boris Alexandrov
