Siekdami užtikrinti geriausią Jūsų naršymo patirtį, šioje svetainėje naudojame slapukus (angl. cookies). Paspaudę mygtuką „Sutinku“ arba naršydami toliau patvirtinsite savo sutikimą. Bet kada galėsite atšaukti savo sutikimą pakeisdami interneto naršyklės nustatymus ir ištrindami įrašytus slapukus. Jei pageidaujate, galite kontroliuoti ir/arba ištrinti slapukus. Išsamesnė informacija čia https://www.aboutcookies.org/ Jei ištrinsite slapukus, jums gali reikėti rankiniu būdu pakeisti kai kurias parinktis kaskart, kai lankysitės interneto svetainėje, o kai kurios paslaugos ir funkcijos gali neveikti.

Paieška
LIETUVAKOMENTARAIPASAULISEKONOMIKASPORTASĮDOMYBĖSGIMTASIS KRAŠTASISTORIJA
ŽMONĖSGAMTA IR AUGINTINIAIŠEIMA IR SVEIKATAMOKSLAS IR ITKULTŪRAŠVIETIMASGYNYBAPOPIEŽIAUS VIZITASMULTIMEDIJA
MOKSLAS IR IT

Planetų kelionės

 
Taip galėtų atrodyti besiformuojanti planetų sistema prie jaunos žvaigždės Tapytojo betos. Vizualizacijos šaltinis: NASA
Taip galėtų atrodyti besiformuojanti planetų sistema prie jaunos žvaigždės Tapytojo betos. Vizualizacijos šaltinis: NASA

Daugelio mūsų pažintis su astronomija prasideda nuo naktinio dangaus skliauto ir jame matomų žvaigždžių. Kai kurios „žvaigždės“ laikui bėgant juda kitų atžvilgiu – tą pastebėjo dar senovės civilizacijų atstovai, o graikai pavadino jas „planetomis“, tai yra, klajoklėmis. Vėliau išaiškėjo, kad planetos iš tiesų kartu su Žeme sukasi aplink Saulę, todėl jas matome vis kitose dangaus vietose.

Viskas per diskus

Planetų formavimasis yra neatsiejamas nuo žvaigždžių formavimosi. Žvaigždės formuojasi traukiantis molekulinių dujų debesų dalims. Kiekviena dalis šiek tiek sukasi, o traukiantis sukimasis greitėja. Galiausiai kažkuriuo metu išorinės besitraukiančio objekto dalys suformuoja diską, o centrinė dalis – žvaigždę. Diskas, ne be reikalo vadinamas protoplanetiniu, aplink žvaigždę egzistuoja kelias dešimtis milijonų metų, o iš jame susitelkusių dujų bei dulkių formuojasi planetos.

Šios idėjos buvo pasiūlytos dar XVIII amžiuje, bet moderni protoplanetinių diskų teorija suformuota tik prieš maždaug pusšimtį metų. Ir tik atradus egzoplanetas ši teorija, su įvairiais papildymais, po truputį išstūmė kitas. Papildymai daugiausiai susiję su planetų migracija.

Planetų migracija, kaip ir jų formavimasis, vyksta dėl gravitacijos. Diske esančios medžiagos dalelės – nesvarbu, dulkės ar dujos – traukia vienos kitas. Taip pat jas veikia žvaigždės gravitacija, ir jos dar sukasi nevienodais greičiais skirtingu atstumu nuo disko centro. Ir dar jos turi nenulinę temperatūrą, todėl irgi juda dėl šiluminių efektų.

Kai kuriose disko vietose gali atsirasti medžiagos sankaupos, kurių dalelių tarpusavio gravitacija (dar vadinama savigravitacija) nusveria kitus procesus ir sankaupa ima augti bei tankėti.

Toje vietoje formuojasi planeta. Judėdama aplink žvaigždę, naujoji planeta prisijungia arba išstumdo medžiagą, esančią aplinkui. Diske esančios dujos bando išlyginti netolygumus, ir stumia dujas atgal prie planetos.

Šių procesų sąveikos rezultatas priklauso nuo planetos masės ir disko temperatūros: jei planeta yra pakankamai masyvi irba diskas pakankamai šaltas, pastarajame atsiveria tuščia ertmė. Esant įprastoms – t. y. daugeliui stebimų diskų būdingoms – sąlygoms, ertmės atsiveria aplink planetas, masyvesnes už Saturną. Nuo ertmės egzistavimo priklauso ir tolesnė planetos orbitos evoliucija.

Orbitinis judėjimas yra labai stabilus. Saulės sistemoje planetos išsidėsčiusios taip, kad milijardus metų suksis savo orbitose, o artimiausi reikšmingi pokyčiai įvyks tik Saulės gyvenimo pabaigoje, kai ji išsiplės ir praris Merkurijų bei Venerą, o gal ir Žemę, ir vėliau, kai ji nusimes išorinius sluoksnius ir pavirs baltąja nykštuke. Bet štai jaunystėje planetos judėjo ne taip tvarkingai, migravo artyn prie Saulės ir tolyn nuo jos. Apie šiuos procesus byloja krateriai Žemėje ir kituose dangaus kūnuose, asteroidų savybės, netgi kai kurių planetų padėtys. Kitų žvaigždžių sistemose migracijos pėdsakai yra dar ryškesni, o skaitmeniniai modeliai padeda šį procesą stebėti daug greičiau, nei realiu laiku.

Egzoplanetų įvairovė

Prieš kiek daugiau nei 25 metus, kai planetos prie kitų žvaigždžių buvo tik teorinių apmąstymų objektas, mokslininkai turėjo visokių keistų idėjų apie planetų formavimąsi. Visoms idėjoms patikrinti turėjome tik vieną pavyzdį – mūsų Saulės sistemą, su uolinėmis planetomis arti žvaigždės, dujinėmis ir ledinėmis milžinėmis – toliau, ir keistuoliu Plutonu dar toliau. Plutonas kartais buvo vadinamas nuo Neptūno pabėgusiu palydovu. Formavimosi modeliai teigė, kad planetos susidarė ten, kur dabar ir yra, ir visus milijardus metų taip ir sukosi savo orbitomis.

Egzoplanetų masės ir orbitinio periodo diagrama. Raidėmis pažymėtos Saulės sistemos planetų padėtys. Akivaizdu, kad daugybė egzoplanetų stipriai skiriasi nuo Saulės sistemos planetų savo padėtimi žvaigždės atžvilgiu. Šaltinis: Dr. Tahir Yaqoob, Exoplanets Digest
Egzoplanetų masės ir orbitinio periodo diagrama. Raidėmis pažymėtos Saulės sistemos planetų padėtys. Akivaizdu, kad daugybė egzoplanetų stipriai skiriasi nuo Saulės sistemos planetų savo padėtimi žvaigždės atžvilgiu. Šaltinis: Dr. Tahir Yaqoob, Exoplanets Digest

Pirmieji egzoplanetų atradimai visą tą vaizdą apvertė aukštyn kojomis. 1992 ir 1994 metais atrastos dvi planetos prie neutroninės žvaigždės PSR B1257+12 paneigė idėją, kad planetos gali egzistuoti tik prie į Saulę panašių žvaigždžių. Jų atstumas nuo žvaigždės yra gerokai mažesnis, nei tikėtinas raudonąja milžine tapusios žvaigždės spindulys, taigi jos negalėjo būti pasilikusios iš senų laikų savo orbitose. Planetos arba turėjo susiformuoti po žvaigždės pavirtimo neutronine, arba atmigruoti artyn prie jos iš tolimesnių orbitų. 1995 metais aptikta planeta Dimidija prie nežymiai už Saulę masyvesnės žvaigždės Pegaso 51 užmynė dar daugiau klausimų: jos masė siekia bent pusę Jupiterio masės, tačiau atstumas nuo žvaigždės – 20 kartų mažesnis, nei Žemės nuo Saulės. Vieneri metai Dimidijoje trunka vos kiek daugiau nei keturias Žemės paras. Tuometiniai modeliai niekaip negalėjo paaiškinti, kaip tokia planeta galėtų susiformuoti taip arti žvaigždės. To negali padaryti ir šiandieniniai modeliai. O panašių į Dimidiją planetų, netrukus pavadintų karštaisiais Jupiteriais, buvo atrandama vis daugiau. Vėliau aptikta ir priešingai ekstremalių planetų – nutolusių labai toli nuo savo žvaigždės. Apskritai netrukus ėmė aiškėti, kad Saulės sistema yra greičiau išimtis, nei taisyklė. Planetų formavimosi modelius reikėjo visiškai pakeisti.

Jei planeta yra maža, jos gravitacija neišvalo aplink esančių dujų, taigi planeta lieka gaubiama disko medžiagos. Planetos gravitacija dujose sukelia bangas, kurios dėl sukimosi virsta spiralinėmis vijomis. Šios bangos savo ruožtu tempia planetą – arčiau žvaigždės esanti banga tempia planetą į priekį, greitina ją ir taip stumia tolyn nuo žvaigždės, o toliau nuo žvaigždės esanti banga – priešingai, lėtina ir artina prie žvaigždės. Dažniausiai išorinė banga yra stipresnė, todėl planeta dėl sąveikos su bangomis ima lėtėti ir migruoti žvaigždės link. Tiesa, migraciją stabdo, o kartais ir apsukti jos kryptį gali kitas efektas, vadinamas korotacijos rezonansu. Dujos, kurių sukimosi periodas yra dvigubai ilgesnis arba dvigubai trumpesnis, nei besiformuojančios planetos, su pastarąja sąveikauja stipriau, nei likusios. Šiek tiek silpniau, bet vis dar stipriau nei vidutiniškai, planeta sąveikauja ir su dujomis, kurių periodas trigubai ilgesnis ar trumpesnis; dar mažiau – keturgubai ir taip toliau. Šių dujų poveikis tempia planetą į išorę, bet nėra toks stiprus, kaip bangų sukeliamas traukimas į vidų. Tokia migracija vadinama pirmojo tipo.

Pirmojo tipo migracijos skaitmeninio modelio nuotrauka. Vos per 150 orbitų planetos orbitos spindulys sumažėja dvigubai. Šaltinis: Frédéric Masset, Universidad Nacional Autonoma de Mexico
Pirmojo tipo migracijos skaitmeninio modelio nuotrauka. Vos per 150 orbitų planetos orbitos spindulys sumažėja dvigubai. Šaltinis: Frédéric Masset, Universidad Nacional Autonoma de Mexico

Didelė planeta atveria ertmę diske, taigi aplink ją susidaro beveik tuščias regionas, kuriame kylančios bangos yra labai silpnos, palyginus su pirmojo tipo migracijos atveju. Dujos po truputį patenka į ertmę dėl sąveikos su kitomis dujomis, esančiomis diske; grubiai tariant, diskas bando užpildyti tuštumą panašiai, kaip dujos per skylutę veržiasi iš pripūsto baliono. Planeta į ertmę patekusias dujas greitai praryja arba išstumia, bet šios sąveikos metu šiek tiek sulėtėja ir priartėja prie žvaigždės. Taigi migracija, nors ir lėtai, vyksta ir esant ertmei diske – ji vadinama antrojo tipo migracija.

Antrojo tipo migracijos skaitmeninio modelio nuotrauka. Pirmas šimtą orbitų planeta yra per maža, kad atvertų ertmę diske, ir migruoja sparčiai. Vėliau, atsivėrus ertmei, migracija sulėtėja. Šaltinis: Frédéric Masset, Universidad Nacional Autonoma de Mexico
Antrojo tipo migracijos skaitmeninio modelio nuotrauka. Pirmas šimtą orbitų planeta yra per maža, kad atvertų ertmę diske, ir migruoja sparčiai. Vėliau, atsivėrus ertmei, migracija sulėtėja. Šaltinis: Frédéric Masset, Universidad Nacional Autonoma de Mexico

Realybėje, kaip ir dažnai būna astronomijoje, nėra tokio griežto atskyrimo tarp I ir II tipo migracijų, kaip gali pasirodyti iš šio aprašymo. Ertmės atvėrimas yra tolygus procesas – labai mažos planetos disko beveik nepaveikia, labai didelės išvalo ertmę ir palieka ją praktiškai tuščią, bet daugybė vidutinio dydžio planetų ertmę atveria tik dalinai. Tokiu atveju diske gali susidaryti nuolatinės, bet nelabai stiprios, bangos, kurios tempia planetą artyn prie žvaigždės, tarpiniu greičiu tarp apskaičiuojamų pirmu ir antru atvejais.

Išsisklaidžius protoplanetiniam diskui, planetos vis dar gali migruoti, sąveikaudamos tarpusavyje. Kiekviena planeta, besisukdama aplink žvaigždę, yra veikiama kitų planetų gravitacijos. Šis poveikis dažniausiai yra nedidelis, bet kartais gali tapti reikšmingas. Vienas toks atvejis yra, jei dvi planetos priartėja labai arti viena kitos, pavyzdžiui judėdamos elipsinėmis orbitomis. Tada planetos gali susijungti į dvinarę sistemą, bet dažniausiai prasilenkia ir yra nusviedžiamos kažkur toli; viena gali net išlėkti iš žvaigždės sistemos ir tapti planeta-klajokle. Bendrai šis procesas, kai dviem objektams suartėjus jų tarpusavio gravitacija ima dominuoti virš aplinkinių šaltinių, vadinamas gravitacine svaidykle, ir yra plačiai naudojamas planuojant kosminių zondų skrydžius, nes pasinaudojant kitų planetų gravitacija galima sutaupyti labai daug kuro.

Kitas būdas planetoms paveikti vienoms kitų orbitas – rezonansai. Jei dvi planetos skrieja skirtingomis orbitomis ir niekada labai nesuartėja, tai per ilgą laiką jų tarpusavio poveikis vidutiniškai yra nulinis: stipriausia tarpusavio trauka, planetoms esant arčiausiai viena kitos, pasireiškia įvairiose kiekvienos planetos orbitos vietose. Jei paimtume kaip pavyzdį Žemę ir Jupiterį, tai Jupiteris arčiausiai Žemės gali būti ir sausio, ir liepos, ir bet kurį kitą mėnesį. Tačiau, panašiai kaip korotacijos rezonanso tarp planetos ir dujų žiedo atveju, jeigu planetų orbitinių periodų – jų metų – santykis yra 1:2, 1:3 ar panašus nedidelių natūraliųjų skaičių santykis, tuomet stipriausi „truktelėjimai“ vyksta nebe atsitiktinėse, o atsikartojančiose orbitų vietose ir po truputį susideda. Dvi orbitos, kurių periodai turi tokį santykį, vadinamos rezonuojančiomis. Kuo mažesnė yra skaičių suma, tuo stipresnis ir rezonansas: stipriausias yra 1:2, kiek silpnesnis 1:3 dar silpnesni 1:4 ir 2:3, ir taip toliau. Stipriausiuose rezonansuose esančios planetos tempia viena kitą: masyvesnė planeta paprastai išstumdo mažesnius objektus iš rezonuojančių orbitų. Šio proceso pasekmes lengvai galime pamatyti Asteroidų žiede: keliose jo vietose asteroidų praktiškai nėra. Šios zonos, vadinamos Kirkwoodo tarpais, yra orbitos, rezonuojančios su Jupiteriu: 3:1 (vieneri Jupiterio metai atitinka trejus asteroido), 5:2 ir 7:3. Stipriausias Jupiterio rezonansas, 2:1, yra kaip tik išoriniame Asteroidų žiedo pakraštyje, taigi Jupiterio gravitacija netgi palaiko asteroidus šioje Saulės sistemos dalyje.

Ne visi rezonansai yra destruktyvūs, ar bent jau tokiais tampa ne iš karto. Jei rezonuojančių objektų masių santykis yra labai didelis – kaip yra Jupiterio ir asteroidų atveju – mažesniajam objektui poveikis pasireiškia palyginus greitai. Dažniausias poveikis yra orbitos išsitempimas, taigi asteroidas ima judėti vis labiau elipsine trajektorija. Jei daugiau objektų Saulės sistemoje nebūtų, jis taip galėtų judėti labai ilgai, bet realybėje anksčiau ar vėliau jis priartėja prie kurio nors kito kūno ir yra išsviedžiamas iš savo orbitos. Kuo didesnis kūnų masių santykis, tuo lėčiau keičiasi orbitos savybės, taigi rezonanse objektai gali išlikti labai ilgai. Pavyzdžiui, Neptūnas ir Plutonas yra 2:3 rezonanse, t. y. trejus Neptūno metus atitinka dveji Plutono. Ir nors Plutono orbita yra tiek elipsiška, kad kartais jis priartėja prie Saulės arčiau, nei Neptūnas, tokia konfigūracija yra stabili. Mat kiekvieną kartą, kai Plutonas priartėja arčiausiai Saulės, Neptūnas yra maždaug ketvirčiu orbitos nutolęs nuo Plutono. Taigi du kūnai niekada nepriartėja taip arti vienas kito, kad jų tarpusavio gravitacija taptų reikšmingesnė už Saulės trauką, veikiančią juos abu.

Dar vienas svarbus rezonansas yra tarp Jupiterio ir Saturno. Tiksliau, šiuo metu jo jau nebėra – nors dveji Saturno metai trunka beveik tiek pat, kiek penkeri Jupiterio, skirtumas nuo tikslaus 2:5 santykio yra ganėtinai reikšmingas. Bet tolimoje praeityje, kai Saulės sistemai buvo mažiau nei milijardas metų, Jupiteris ir Saturnas sukibo į 1:2 rezonansą. Jo padariniai buvo milžiniški. Dviejų didžiausių planetų gravitacija kitus kūnus ėmė veikti išvien, taigi visų likusių objektų migracija žymiai paspartėjo. Uranas ir Neptūnas iškeliavo tolyn nuo Saulės; pagal kai kuriuos skaičiavimus, jie netgi galėjo susikeisti vietomis – Neptūnas iš pradžių buvo arčiau Saulės, nei Uranas. Neptūno migracija tolyn nustūmė į rezonansines orbitas patenkančius Kuiperio žiedo objektus ir sušlavė juos į tankias sankaupas išorėje nuo rezonansinių orbitų. Tose sankaupose jie sąveikavo tarpusavyje ir ėmė lakstyti į visas puses. Kai kurie išlėkė iš Saulės sistemos, kiti nulėkė žvaigždės link. Dalis jų pataikė į planetas ir palydovus, taip pat ir Žemę bei Mėnulį. Šis procesas vadinamas Vėlyvuoju stipriuoju bombardavimu (angl. Late Heavy Bombardment). Šis aiškinimas vadinamas Nicos modeliu pagal miestą, kuriame esančios observatorijos mokslininkai pasiūlė jį 2005 metais. Tai nėra vienintelis galimas Vėlyvojo bombardavimo ir Saulės sistemos struktūros paaiškinimas, bet jis tikrai neblogai atkuria daugelį detalių.

Planetų gravitacija ir migravimas reikšmingai paveikia jaunų planetinių sistemų evoliuciją. Bet šie efektai nepradingsta ir vėliau, tiesiog planetos daugiausiai nusistovi stabiliose orbitose, kuriose gali išlikti milijardus metų. Bet planetos – dar ne viskas. Kiekvienoje sistemoje yra ir įvairių nuolaužų, tokių kaip asteroidai, Kuiperio žiedo objektai ir kometos. Būtent pastarosios, dėl gravitacinių sąveikų su kitais objektais, kartais atlekia į centrinę sistemos dalį ir gali net ir atsitrenkti į kurią nors planetą. 1994 metais į Jupiterį pataikė kometa Shoemaker-Levy, 2014 metų pabaigoje visai šalia Marso, tik 140 tūkstančių kilometrų atstumu, praskrido C/2013 A1(Siding Spring). Į Žemę, kiek žinome, tokios kometos nėra pataikiusios, bet ateityje gali nutikti ir taip.

Apskritai Saulės sistemos planetos turėtų išlikti stabilios milijardus metų. Visgi tiksliai to tvirtinti neįmanoma, nes Saulės sistema yra chaotiška – mažyčiai pradinių sąlygų (planetų išsidėstymo) pokyčiai laikui bėgant duoda labai skirtingus rezultatus. Todėl ir skaitmeniniai modeliai, kuriais nagrinėjama planetų judėjimo ateitis, yra patikimi tik kelioms dešimtims milijonų metų. Per ilgesnius laiko tarpus viena ar kita planeta gali išlėkti iš savo orbitos. Pavyzdžiui, Merkurijus turi nedidelį rezonansą su Jupiteriu – jų abiejų orbitų plokštumos svyruoja beveik vienodai. Tai nėra toks stiprus rezonansas, kaip aukščiau aprašytas periodų santykio, tačiau poveikis egzistuoja ir Merkurijus gali būti destabilizuotas.

Galų gale, stabilumui įtakos gali turėti ir išoriniai padariniai, pavyzdžiui pro šalį praskrendančios kitos žvaigždės. Nors atstumai tarp žvaigždžių yra tokie dideli, kad tikimybė žvaigždei praskrieti tarp Saulės sistemos planetų yra nykstamai maža, užtenka vien pralėkimo netoliese, kad žvaigždės gravitacija sujauktų kometų, Kuiperio žiedo objektų, o gal ir vienos kitos planetos, orbitas. Šių procesų taip pat negalime prognozuoti ilgesniam, nei kelių dešimčių milijonų metų, laikotarpiui, nes visa Galaktika taip pat yra chaotiška sistema, kurios dar nesuprantame taip gerai, kaip norėtume.

Tyrinėti planetų migraciją mums leidžia daugybė egzoplanetų ir protoplanetinių diskų atradimų. Žinodami vien apie Saulės sistemą, greičiausiai dar nebūtume atradę planetų migracijos procesų ir jų svarbos planetinės sistemos struktūrai. Taigi, kaip ir daugeliu kitų atžvilgių, egzoplanetų tyrimai mums padeda geriau pažvelgti ir į save, geriau suprasti, kaip Saulės sistema susiformavo tokia, kokia yra dabar.

Šio straipsnio nebūtų buvę, jei ne mano rėmėjai Patreon platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti jūsų pinigų, mane paremti galite ir jūs.

DALINTIS:
 
SPAUSDINTI
MOKSLAS IR IT
Rubrikos: Informacija:
EkonomikaGamta ir augintiniaiGimtasis kraštasGynybaKontaktai
ĮdomybėsIstorijaJurgos virtuvėKomentaraiReklama
KonkursaiKultūraLietuvaMokslas ir ITReklaminiai priedai
PasaulisPopiežiaus vizitasSportasŠeima ir sveikataPrenumerata
ŠvietimasTrasaŽmonės#ATEITIESLYDERIAIPrivatumo politika
#AUGULIETUVOJE#LEGENDOS#SIGNATARŲDNR#ŠIMTMEČIOINOVACIJOSKarjera
Visos teisės saugomos © 2013-2018 UAB "Lietuvos žinios"