Ar mūsų planetų sistema yra kosminė keistenybė? Egzoplanetų duomenys tai patvirtina

Seniai, labai seniai, buvo planetų sistema. Gyveno joje keturios mažos uolinės planetos – Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas. Gyveno ten ir keturios didelės dujinės planetos: Jupiteris, Saturnas, Uranas ir Neptūnas. Mažųjų ketvertas glaudėsi arčiau Saulės, nes ten buvo labai karšta, o visa kita buvo nublokšta tolyn, ir planetoms kurtis liko tik uolienos. Bet tolėliau jau buvo šalčiau ir ten netrūko ledo, tad planetos ten išaugo į didžiules dujų milžines.

Šis pasakojimas nebuvo rašomas kaip pasaka. Dar ganėtinai neseniai, tai buvo mūsų tvirtai pagrįstas pasakojimas kaip formavosi mūsų žvaigždės sistema – ir tiesą sakant, kaip formuojasi bet kokia planetų sistema. Tačiau pastaruosius maždaug dešimt metų šis pasakojimas ėmė atrodyti, na, truputį pritemptas.

Randame daugybę žvaigždžių sistemų kitose galaktikos vietose, ir nė viena neprimena mūsiškės. Yra dujų milžinių greta pagrindinės žvaigždės, uolinių planetų didesnių už Žemę, kompaktiškų sistemų su uolinėmis planetomis įsiterpusiomis tarp dujinių milžinių – visokiausių. Iš pradžių šias galėjome atmesti šia egzotiškas egzoplanetas kaip atsitiktinumą, bet atradus tūkstančius, tai ima atrodyti nebepatenkinamai.

Ryškėja naujas žvaigždžių sistemų formavimosi vaizdas su chaotišku planetų kūrimusi be apibrėžto galutinio rezultato. Tai privertė peržvelgti mūsų pačių sistemos istoriją, ir ima vis garsiau skambėti įkyrus klausimas: gal mūsų sistema visai nėra archetipinė, o mes išties keistuoliai?

Mūsų sistemos keistumas pradėjo ryškėti praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio pradžioje, kai buvo atrastos pirmosios apie eilines žvaigždes besisukančios egzoplanetos. Tai buvo vadinami karštieji Jupiteriai: taip arti žvaigždės besisukančios dujų milžinės, kad metai jose tetrunka kelias dienas.

Jos buvo aiškiai neteisingi pasauliai netinkamoje vietoje. Planetos formuojasi iš jauną žvaigždę supančio dulkėtų dujų disko. Norint dujinės milžinės, pirmiausiai reikia, kad susiburtų kelių Žemės masių kietas branduolys, kaip branduolys, aplink kurį jau gali kauptis dujos. Jaunos žvaigždės radiacijos srautas užkerta kelią tokioms planetoms formuotis greta. „Ji išgarsins viską, nes šiame regione labai karšta,“ sako Hannah Wakeford iš Bristolio universiteto, JK. „Niekas, ir pabrėžiu niekas, nesako, kad šie ultra karšti Jupiteriai susiformavo šalia savo žvaigždžių,“ sako Stephen Mojzsis iš Ištakų tyrimo sandarbio Boulderyje, Colorado'e. Tad, belieka viena galimybė: karšti Jupiteriai turėjo susiformuoti kur nors kirus ir prisiartinti. Bet kaip relokuoti planetas žvaigždės sistemoje?

Teoretikai greitai sugalvojo atsakymą. Planetai kaupiant masę, jos gravitacija dujų diske gali sukurti tankio skirtumus, kurie savo ruožtu keičia planetos kampinį momentą, versdami ją sukti artyn žvaigždės arba tolyn nuo jos. Taip planetos formavimasis tampa dinamišku procesu, o ne ramiu, tvarkingu, kaip manėme, kur viskas susiformuoja atitinkamose vietose ir lieka ten.

Tokia dinamika padėjo paaiškinti kitus egzoplanetų keistumus. Tokiuose pasauliuose kaip HD 37605 b, dujinės milžinės beveik tris kartus masyvesnės už Jupiterį, skrieja labiau elipsine orbita, primenančia kometų, nei arti žvaigždžių skriejančios beveik apskrita orbita. Buvo Kepler-20 sistema, kurioje dvi Žemės dydžio planetos buvo įsiterpusios tarp trijų Neptūno dydžio pasaulių. Ar Kepler-90, kurios aštuonios planetos, nuo Žemės dydžio iki Jupiterio dydžio, skrieja apie panašią į Saulę žvaigždę. Jos išsirikiavusios įprastine tvarka, bet visos spaudžiasi orbitose, artimesnėse, nei Žemė.

Visa tai kėlė mintį, kad dabar regimos planetų sistemos nėra tokios pačios, kaip buvo iš karto po susiformavimo. Būtent tada kai kurie astronomai teleskopus pasuko į mūsų sistemą. Remiantis sena idėja, kuo toliau nuo Saulės planeta, tuo daugiau kietos medžiagos turėtų būti jai formuotis, ir tuo didesnė ji turėtų būti. Tačiau tam tikru atstumu materijos tankis ima mažėti ir planetos vėl turėtų būti mažesnės.

Būtent čia mūsų sistemoje kyla dvi didelės problemos: Uranas ir Neptūnas. Nors šios dvi ledo milžinės gerokai mažesnės už Saulės sistemos dvi megaplanetas – Jupiterį ir Saturną, tačiau jos vis viena gerokai per didelės kad mūsų modelis galėtų paaiškint jų susidarymą ten, kur jos dabar yra.

Planetų migracija pasiūlė puikų sprendimą Nicos modeliu, pavadintu pagal Prancūzijos miestą, kuriame 2005 metais jis buvo suformuluotas. Pagal jį visos keturios planetos milžinės iš pradžių buvo kompaktiškos konfigūracijos, bet sąveikavo gravitaciškai – iš pradžių su nuolaužomis, likusiomis iš jų pačių formavimosi, o tada tarpusavyje – kol pasiskirstė į savo dabartines orbitas. Milžinių sukimosi ankstyvojoje sistemoje sukeltas gravitacinis nestabilumas paaiškina ne tik Urano ir Neptūno dydžius, bet ir link Saulės skriejančius asteroidus, kurie krateriais suvarpė Mėnulio paviršių. Tai galėtų paaiškinti ir Jupiterio įgytus Trojėnus, ~10 000 kosminių uolų, dabar įkalintų dviejuose spiečiuose jo orbitoje, ir Kuiperio juostą, migracijos metu už Neptūno orbitos išbarstytų uolienų žiedą, kuriame yra ir Plutonas.

Nicos modelis prikaustė planetologų dėmesį, nors vienas iš jo autorių, Hal Levison iš Pietvakarių tyrimo instituto Bouldere, Colorado valstijoje, ragina būti atsargiais. „Jei būtumėte paklausę, ar mes tebekalbėsime apie jį 2021, būtume pasijuokę, nes modeliai ateina ir pasitraukia,“ sako jis. „Jis iš tiesų išsprendė daug problemų, bet tai tėra modelis. Tai nepadaro jo teisingu.“

Kaip bebūtų, jis tapo karkasu, kuriame astronomai piešia dinamišką mūsų sistemos istorijos ankstyvą fazę – kurią galėjo paveikti ir išoriniai veiksniai (žr. „Kai susiduria žvaigždžių sistemos“). „Bendrai sutariama, kad mūsų sistemoje milžinės planetos migravo,“ sako Mojzsis.

Migracija taip pat galėtų paaiškinti ir labiausiai gluminantį mūsų planetų sistemos neatitikimą. Joje yra mažos, uolinės planetos, kaip mūsų Žemė, ir yara didelė, kaip Neptūnas ir dar didesnės, bet nieko per vidurį – jei nekreipsime dėmesio į pranešimus apie vidutinio dydžio „devintąją planetą“, besisukančią toliuose. Tokia vidutiniokė planeta galėtų būti didelė uolinė (super-Žemė), ar maža dujinė milžinė (mini-Neptūnas). Drauge šie vidutiniai pasauliai sudaro daugiau nei pusę žinomų planetų. „Tas faktas, kad jas matome praktiškai kur bepažvelgtume, rodo, kad jas sukurti lengva,“ pastebi Wakeford.

„Dabar aiškus klausimas: kur kitos planetų sistemos, panašios į mūsiškę?“

Šį trūkumą galima būtų paaiškinti, jeigu Jupiteris kažkada migravo į vidų, sutrikdydamas super-Žemės formavimosi vietą. Tai paaiškintų ir kodėl Marsas toks mažas, vos dešimtadalio Žemės masės: medžiagą galėjo pasiglemžti Jupiteris.

Jei viskas būtų taip vystęsi ir toliau, Jupiteris būtų įstūmęs vidines planetas – įskaitant Žemę – į Saulės žaizdrą, pats tapdamas karštu Jupiteriu. Tai neįvyko, nes mūsų sistemoje yra ne viena dujinė milžinė, o dvi – padėtį išgelbėjo Saturnas. „Jis maždaug 80-ies procentų Jupiterio dydžio, tad Jupiteris su juo susietas,“ sako Wakeford. Šiame modelyje, Saturnas irgi migravo vidun, bet greičiau, nei Jupiteris. Besiartinant, jų gravitacinė sąveika juos sulėtino ir apgręžė migraciją, pagal vadinamojo „didžiojo òverštago“ scenarijų.

Vėl pasakos? Galbūt. Mojzsiso manymu, nors idėja dinamiškai veikia, geochemiškai ji pasmerkta. „Didysis overštagas nepaaiškina planetų chemijos,“ tvirtina jis. Jeigu Jupiteris juda vidun, viskas sujudinama ir sumaišoma, bet Žemės ir Marso sudėtis smarkiai skiriasi.

Tačiau nepaisant detalių, vykusi migracija patvirtinama duomenimis, jeigu tikėsime 1870 metais Indijoje nukritusio įdomaus dangaus kūno analize. Fridolin Spitzer iš Münsterio universiteto Vokietijoje su kolegomis parodė, kad Nedagolla meteorite yra Saulės sistemos vidinės ir išorinės dalies mišinys, kas liudija, kad kažkas įvyko, kas medžiagas sumaišė.

Bet jeigu mūsų sistemoje planetos migruoja kaip ir kitur, lieka mįslė: kur tos kitos planetų sistemos, panašios į mūsiškę? Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, astronomai manė, kad per 15 metų aptiksime mūsų planetų sistemos seserį – svarbiausia, su Jupiterio dydžio planetomis ten, kur yra Jupiteris. Praėjus ketvirčiui amžiaus, aptikta 5000 egzoplanetų. Jos pasiskirsčiusios maždaug 3600 planetų sistemų, 800 iš kurių yra daugiau nei viena planeta. Super-Žemės, mini-Neptūnai ir karštieji Jupiteriai atrodo paplitę, kaip ir tokios itin kompaktiškos sistemos, kaip Kepler-90. Bet brangiųjų „Jupiterių Jupiterių“ aptikta labai mažai.

Tai gali būti susiję ir su pačia egzoplanetų paieška. Hugh Jones iš Hertfordshire'o universiteto, JK, mano, kad tai yra aptikimo šališkumo problema. Kiekvienas aptikimo metodas jautriausias tam tikro tipo planetų paieškai. Pavyzdžiui, radialinio greičio tyrimais aptinkamas žvaigždės šviesos spalvos pokytis dėl aplink ją skriejančios planetos gravitacijos, ir jis jautriausias, tada, kai didelės planetos skrieja labai arti savo žvaigždės. Tuo tarpu „tranzito“ tyrimai, kaip Kepler teleskopu, planetas aptinka pagal žvaigždės šviesos susilpnėjimą, kai planeta kerta matomą jų diską, ir juo daugiausiai aptinkamos itin kompaktiškos planetų sistemos.

Tokie šališkumai labai apsunkina „normalumo“ nustatymą. Tokios planetų sistemos, kaip mūsų, gali būti ganėtinai paplitusios, bet mes jų tiesiog dar nepamatėme. 15-os metų terminas buvo paremtas tuo, kad Jupiteris Saulę apskrieja per 12 metų, tad, panašios planetos kitur irgi turėtų panašiai pasireikšti. Bet „astronomai yra optimistiška liaudis“, sako Richardas Parkeris iš Sheffieldo universiteto, JK. „Tad, kai jie sako 15 metų, jie mintyse tikriausiai turi 30.“

Nicos modelis taip pat padėjo suvokti, koks jautrus planetų formavimasis yra proceso detalėms. Nors modelis turėjo atkurti Saulės sistemą, vos vos jį pakeitus, sistema pasikeičia neatpažįstamai. „Bet koks smulkus pokytis lemia kažką visiškai kito,“ sako Wakeford. Pavyzdžiui, Neptūnas, užuot atsidūręs orbitoje sistemos pakraštyje, galėjo būti visiškai išsviestas iš planetų sistemos, arba Žemės orbita galėjo tapti elipsiška, kas būtų apsunkinę jos gyvenamumą/

Wakeford sako, kad dar iki galo neperpratome, kaip drastiškai tokie niuansai gali pakeisti rezultatą. Parkeris sutinka. „Kodėl nesitikime, kad planetų sistemos bus skirtingos, kai individualių žvaigždžių patiriami [formavimosi] procesai gali būti visiškai skirtingi“ retoriškai klausia jis.

Laimei,nauja informacija jau keliauja. Europos kosmoso agentūros (ESA) misija Gaia ir Europos Pietinės observatorijos Labai didelis teleskopinis interferometras (Very Large Telescope Interferometer) ieško planetų kitaip, stebėdami planetų gravitacijos sukeliamus žvaigždžių pozicijos pokyčius. ESA 2026 Plato misija, patobulinta Keplerio įpėdinė, buvo optimizuota ieškoti Žemės dydžio planetų gyvenamosiose Saulės tipo žvaigždžių zonose. „Visa tai padeda sumažinti šališkumą skirtingose atradimų erdvės dalyse,“ sako Jones.

Tuo tarpu galime tikėtis progreso mūsų planetos sistemos istorijos vystymosi. NASA Lucy misija skrieja link Trojėnų. Per 12 metų misiją, ji aplankys septynis skirtingus asteroidus dviejuose spiečiuose, ir pirmą kartą juos charakterizuos iš arti. Jeigu Trojėnai iš tiesų yra planetų migracijos rezultatas, juose gali slypėti esminės užuominos apie planetų sistemos ankstyvąją dinamiką. „Manau, jau pasiekėme tašką, kai turime daug idėjų, tačiau turimų duomenų nepakanka atskirti vieną modelį nuo kito,“ sako Levisonas, iš teoretiko perėjęs į Lucy misijos pagrindinio tyrėjo pareigas.

Vis dar nežinai, kad visa tai kaip nors išryškins mūsų sistemos išvaizdos idėjas, ir kur jų tinkamumą, ar tiesiog dar labiau viską sujauks. Kas abejonių nekelia, tai, kad bent vienoje planetų sistemos planetoje klasti gyvybė. Kad ir kokia buvo istorija, jos pabaigą galime vadinti laiminga.