Secondo l'ipotesi della Grande Manovra, un tempo Giove viaggiava attraverso il sistema solare, provocando il caos con la sua gravità. Questa ipotesi non è ancora pienamente accettata dalla comunità scientifica a causa della sua complessità, ma più recentemente sono apparse nuove prove a suo favore.
Gli astronomi guidati da René Heller della McMaster University hanno pubblicato il preprint corrispondente su arXiv.org, e l'articolo stesso è già stato accettato per la pubblicazione su Astronomy & Astrophysics. Per capire meglio perché gli scienziati hanno bisogno di tale ipotesi, ci sono molte importanti domande che devono essere affrontate prima.
Sistema insolito
Fino a tempi molto recenti, la struttura del sistema solare non sollevava dubbi: semplicemente non c'era nulla con cui confrontarlo. È vero, i modelli esistenti della formazione di pianeti da una nuvola protoplanetaria non hanno fornito l'immagine osservata dagli astronomi nella pratica, ma ciò è stato attribuito all'imperfezione dei modelli stessi. Le prime scoperte di esopianeti negli anni '90 del secolo scorso non hanno influenzato particolarmente la situazione: il campione era piccolo, c'erano pochi esopianeti.
Nel 2009 è stato messo in funzione il telescopio Kepler, il cui scopo principale era proprio la ricerca di esopianeti. A partire dal 2015, la NASA ha registrato più di 4mila pianeti candidati visti dalla sonda. E dopo i primi mille, è diventato chiaro che il nostro sistema stellare è molto lontano dall'essere tipico.
In primo luogo, abbiamo quattro pianeti delle dimensioni della Terra o meno, e non una singola super-Terra - corpi con un raggio di 1,25-2,00 volte la Terra. Allo stesso tempo, nei sistemi stellari esaminati dai nostri telescopi, le super-terre, al contrario, sono una volta e mezza più grandi dei cosiddetti "pianeti delle dimensioni della Terra".
La maggior parte degli 800 "pianeti terrestri" (a sinistra) hanno in realtà un raggio leggermente più grande del nostro pianeta, e in massa lo supera da 1,5 a 17 volte; Terra, Venere, Marte e Mercurio sono significativamente più leggeri dei tipici pianeti solidi di altri sistemi
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Le citazioni qui non sono casuali: questa classe include tutti i corpi con un raggio inferiore a 1,25 Terra. Ma la maggior parte di loro sono più grandi del nostro pianeta e significativamente più pesanti di esso (ad esempio, Kepler-10c è 17 volte più massiccio della Terra). Si è capito che lo sviluppo del sistema planetario attorno al Sole è avvenuto in un altro modo rispetto ai sistemi esoplanetari con super-terre.
In secondo luogo, nella maggior parte dei sistemi attualmente conosciuti, i giganti gassosi sono molto più vicini alla stella centrale di Giove e Saturno. A volte anche più vicino a Mercurio. I giganti non potrebbero sorgere in un posto del genere: la radiazione di una stella impedirebbe semplicemente la formazione dei pianeti. Ciò significa, hanno concluso gli scienziati, che i giganti si formano lontano dalla stella, tuttavia, vengono rallentati dalla sostanza rimasta dal disco protoplanetario, spostandosi in orbite più vicine.
Nel nostro sistema, tuttavia, la decelerazione, se c'è stata, ha avuto conseguenze completamente diverse: i pianeti giganti si trovano ancora abbastanza lontani dal Sole.
È ora di migrare
E nel 2010, il gruppo di Kevin Walsh ha avanzato un'ipotesi che spiegava sia l'assenza di super-terre nel sistema solare sia la relativa lontananza dei giganti gassosi dallo stesso evento: la cosiddetta Grand Tack Hypothesis.
Secondo Walsh, quando il sistema solare aveva un'età compresa tra 1 e 10 milioni di anni ei pianeti terrestri non si erano ancora formati, Giove migrò da un'orbita di 3,5 unità astronomiche (circa 525 milioni di chilometri dal Sole, un'unità astronomica è uguale alla distanza media dalla Terra al Sole) in un'orbita di 1,5 unità astronomiche, dove si trova ora Marte. Lì, il pianeta gigante si fermò, presumibilmente a causa della gravità di Saturno, che migrò dopo Giove in un'orbita di 2 unità astronomiche dal Sole. Il gigante iniziò quindi a tornare indietro lentamente fino a tornare alla sua orbita attuale di 5 unità astronomiche.
Se non fosse per la migrazione di Giove e Saturno, che viene portato via da esso, al Sole e viceversa, la regione interna del Sistema Solare (sopra) apparirebbe così ora (sotto).
L'ipotesi della Grande Manovra spiegava in modo appropriato molte caratteristiche molto insolite del sistema solare. Giove, durante il suo viaggio verso il Sole e ritorno, ha dovuto ripulire il luogo di formazione dei pianeti terrestri dalla massa "extra" di gas e polvere, privandoli dell'opportunità di diventare super-terre. Allo stesso tempo, i luoghi di formazione di Marte e della fascia degli asteroidi sono stati maggiormente colpiti dalla gravità del pianeta gigante, che ha causato la loro massa anormalmente piccola (ed è, dal punto di vista dell'evoluzione del sistema solare, tale).
Ma nonostante tutta l'attrattiva dell'ipotesi, sembra piuttosto complicata, motivo per cui molti astronomi dubitano ancora della sua correttezza. Nel nuovo lavoro, Rene Eller e coautori hanno deciso di testare quale effetto potrebbe avere la Grande Manovra sulle lune di Giove. La loro idea è semplice: è necessario simulare lo sviluppo del sistema solare con e senza manovre, e poi confrontare i risultati. Se la simulazione con manovra è più simile alla verità, significa che il nuovo lavoro sarà un'altra prova dell'ipotesi. Se senza manovrare, allora così sia - significa che l'ipotesi di un Giove in migrazione è troppo esotica.
Di grande interesse per tali simulazioni sono Ganimede e Callisto, due grandi satelliti di Giove, metà acqua e metà solidi. Il fatto è che se l'ipotesi di manovra è corretta, allora entrambi questi corpi dovrebbero essersi formati prima della manovra vera e propria: oggetti con una tale proporzione di ghiaccio d'acqua non compaiono in luoghi più vicini a una certa distanza dal Sole. Secondo i calcoli degli autori, tenendo conto dell'influenza del più giovane Giove e del suo disco circumplanetario, Callisto e Ganimede potrebbero sorgere a non più di 4 unità astronomiche dal Sole.
Titano (nell'angolo inferiore sinistro) non è lontano dalla Luna per dimensioni e gravità, ma dove si è formato c'erano più elementi leggeri, quindi un satellite relativamente piccolo ha un'atmosfera di azoto quattro volte più densa della Terra.
Che tipo di tracce potrebbe lasciare la grande virata sui satelliti? Riguarda l'atmosfera. Gli autori del lavoro partivano dal presupposto che l'atmosfera della luna di Saturno, Titano, e gli ora atmosferici Giove Callisto e Ganimede, fossero inizialmente simili, così come le loro masse e le zone di formazione.
Allo stesso tempo, le stime dei modelli esistenti dicono che l'atmosfera di Titano, che è quattro volte più densa di quella terrestre, può essere persa per gravità non prima che in settilioni di anni. Anche se per i satelliti di Giove, questa cifra viene ridotta più volte, una tale atmosfera semplicemente non potrebbe essere persa durante la vita del sistema solare. Pertanto, gli scienziati hanno suggerito che il riscaldamento dei satelliti, causato dalle forze di gravità delle maree del gigante gassoso, ha svolto un ruolo chiave nella perdita dell'atmosfera.
Allo stesso tempo, la modellazione senza virata ha mostrato che, nonostante il potente campo gravitazionale, Giove potrebbe fornire il riscaldamento e la perdita dell'involucro di gas solo nei satelliti vicini a questo pianeta, come Io ed Europa. Ma Ganimede e Callisto sarebbero stati dietro la "linea di neve" del disco primario vicino a Giove e non sarebbero stati in grado di perdere l'atmosfera a causa del riscaldamento.
Apparentemente, Callisto è ricco di elementi leggeri (come Titano) e ha persino un oceano sottomarino, ma non ha un'atmosfera significativa.
Quando gli autori del lavoro hanno introdotto nella loro modellazione gli effetti della Grande Manovra, "ponendo" Giove con il suo disco a 1,5 UA. dal Sole, dove riceverebbe una radiazione solare circa dieci volte maggiore, la situazione è cambiata.
Secondo i dati moderni, il Sole nel primo milione di anni della sua vita ha emesso da 100 a 10.000 volte più raggi X e radiazioni ultraviolette di quanto emette ora. Un corpo con un'atmosfera di azoto, come l'attuale Terra o Titano, in tali condizioni ha inevitabilmente perso il suo involucro di gas. Il fatto è che l'energia dei fotoni di tale radiazione è molto superiore a quella della luce visibile e, dopo averli assorbiti, le particelle di azoto hanno dovuto guadagnare rapidamente velocità di diversi chilometri al secondo e lasciare l'atmosfera. Secondo i calcoli degli autori, in tali condizioni, l'atmosfera di azoto primaria della Terra andrebbe persa in pochi milioni di anni. E corpi come Ganimede e Callisto in un'orbita di 1,5 UA. avrebbero dovuto perdere la loro atmosfera ancora più velocemente.
Questa conclusione distingue favorevolmente il modello della Grande Manovra dal presupposto che le orbite planetarie rimangano invariate. Nell'ambito di quest'ultimo, è molto difficile immaginare come esattamente i satelliti di Giove potrebbero perdere la loro atmosfera senza perdere acqua ghiacciata lungo il percorso.
Titano ha la sua atmosfera
Per spiegare perché, in queste condizioni, Titano non ha perso la sua atmosfera, insieme a Saturno in 2 UA. dal Sole, gli autori hanno attinto ai dati della modellazione del disco circumplanetario primario di Saturno. Secondo esso, Titano come satellite non poteva formarsi prima della Grande Manovra. I pianeti del Solare, proprio come vediamo nei sistemi esoplanetari, si sono formati a velocità differenti, e quando il più massiccio (Giove) aveva già completato questo processo, Saturno non aveva ancora "guadagnato" circa il 10 per cento della sua massa. Ciò significa che al momento della Grande Manovra, stava ancora assorbendo attivamente la materia dal suo disco circumplanetario. In tali condizioni, Titano, se esistesse in quel momento, sarebbe sicuramente caduto su Saturno. Pertanto, conclude Eller, in realtà, Titano potrebbe essersi formato solo poche centinaia di migliaia di anni dopo il completamento delle manovre.
Come ha fatto la Terra ad avere un'atmosfera di azoto in tali condizioni? Gli autori sottolineano che, secondo una serie di altri lavori, nell'atmosfera primaria della Terra con la sua gravità significativa c'era molta anidride carbonica, che interagisce con i fotoni energetici in modo completamente diverso, e dopo averli assorbiti, potrebbe effettivamente riemettere l'energia ricevuta nello spazio, raffreddando gli strati superiori dell'atmosfera terrestre di allora …
Gli astronomi giungono alla conclusione che nell'attuale configurazione del sistema solare è quasi impossibile proporre un altro scenario in cui alcuni satelliti dei pianeti giganti abbiano un'atmosfera quattro volte più densa della Terra, mentre altri non ce l'hanno affatto. Ma nel quadro dell'ipotesi della Grande Manovra, l'attuale aspetto dei satelliti di Giove e Saturno può essere spiegato molto più efficacemente che se assumessimo che entrambi questi pianeti non siano mai migrati verso il Sole e viceversa.
E allo stesso tempo, l'ipotesi ha molti problemi irrisolti. La chiave è ancora che è estremamente difficile verificarlo completamente. Troppe cose sono cambiate nel nostro sistema negli ultimi 4,5 miliardi di anni e molti fattori importanti che hanno influenzato il primo periodo della sua storia possono essere ripristinati solo indirettamente. Non si tratta solo della velocità dei processi migratori, che dipendeva fortemente dalla densità non del tutto chiara dell'antica nube protoplanetaria circumsolare. Numerosi modelli ci costringono a supporre che durante le migrazioni di quel tempo, i giganti gassosi avrebbero potuto espellere uno o due grandi pianeti dal sistema solare per interazione gravitazionale, e in questo caso, i corpi che osserviamo potrebbero non fornire informazioni completamente esaustive sugli eventi passati. Per una conferma più completa dell'ipotesi, sono necessari dati osservativi più completi per gli stessi Ganimede e Callisto, che il gruppo di Eller spera di ricevere dalla sonda europea JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), che viaggerà verso le lune di Giove nel 2022-2030.
Boris Alexandrov
