Según la hipótesis de las Grandes Maniobras, una vez Júpiter viajó a través del sistema solar, causando estragos con su gravedad. Esta hipótesis aún no es totalmente aceptada por la comunidad científica debido a su complejidad, pero más recientemente han aparecido nuevas evidencias a su favor.
Los astrónomos dirigidos por René Heller de la Universidad McMaster han publicado la preimpresión correspondiente en arXiv.org, y el artículo en sí ya ha sido aceptado para su publicación en Astronomy & Astrophysics. Para comprender mejor por qué los científicos necesitan tal hipótesis, hay varias preguntas importantes que deben abordarse primero.
Sistema inusual
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Hasta hace muy poco, la estructura del sistema solar no planteaba ninguna pregunta: simplemente no había nada con qué compararlo. Es cierto que los modelos existentes de formación de planetas a partir de una nube protoplanetaria no dieron la imagen que observan los astrónomos en la práctica, pero esto se atribuyó a la imperfección de los propios modelos. Los primeros descubrimientos de exoplanetas en los años 90 del siglo pasado no afectaron particularmente la situación: la muestra era pequeña, había pocos exoplanetas.
En 2009 se puso en funcionamiento el telescopio Kepler, cuyo principal objetivo era precisamente la búsqueda de exoplanetas. A partir de 2015, la NASA ha registrado más de 4 mil planetas candidatos vistos por la nave espacial. Y después de los primeros mil de ellos, quedó claro que nuestro sistema estelar está muy lejos de ser típico.
En primer lugar, tenemos cuatro planetas del tamaño de la Tierra o menos, y ni una sola super-Tierra: cuerpos con un radio de 1,25-2,00 veces el de la Tierra. Al mismo tiempo, en los sistemas estelares examinados por nuestros telescopios, las supertierras, por el contrario, son una vez y media más grandes que los llamados "planetas del tamaño de la Tierra".
La mayoría de los 800 "planetas terrestres" (izquierda) en realidad tienen un radio ligeramente mayor que nuestro planeta, y en masa lo superan de 1,5 a 17 veces; La Tierra, Venus, Marte y Mercurio son significativamente más livianos que los típicos planetas sólidos de otros sistemas.
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Las citas aquí no son accidentales: esta clase incluye todos los cuerpos con un radio de menos de 1,25 de la Tierra. Pero la mayoría de ellos son más grandes que nuestro planeta y significativamente más pesados que él (por ejemplo, Kepler-10c es 17 veces más masivo que la Tierra). Se entendió que el desarrollo del sistema planetario alrededor del Sol se produjo de alguna otra manera que en los sistemas exoplanetarios con super-Tierras.
En segundo lugar, en la mayoría de los sistemas conocidos actualmente, los gigantes gaseosos están mucho más cerca de la estrella central que nuestro Júpiter y Saturno. A veces incluso más cerca de Mercurio. Los gigantes no podrían surgir en un lugar así: la radiación de una estrella simplemente evitaría la formación de los planetas. Esto significa, concluyeron los científicos, que los gigantes se forman lejos de la estrella, sin embargo, luego se ralentizan por la sustancia que queda del disco protoplanetario, moviéndose hacia órbitas más cercanas.
En nuestro sistema, sin embargo, la desaceleración, si la hubo, tuvo consecuencias completamente diferentes: los planetas gigantes todavía se encuentran bastante lejos del Sol.
Hora de migrar
Y en 2010, el grupo de Kevin Walsh propuso una hipótesis que explicaba tanto la ausencia de supertierras en el sistema solar como la relativa lejanía de los gigantes gaseosos por el mismo evento: la llamada Hipótesis Grand Tack.
Según Walsh, cuando el sistema solar tenía entre 1 y 10 millones de años y los planetas terrestres aún no se habían formado, Júpiter migró desde una órbita de 3,5 unidades astronómicas (aproximadamente a 525 millones de kilómetros del Sol, una unidad astronómica es igual a la distancia media de la Tierra al Sol). en una órbita de 1,5 unidades astronómicas, donde está ahora Marte. Allí, el planeta gigante se detuvo, presumiblemente debido a la gravedad de Saturno, que migró después de Júpiter a una órbita a 2 unidades astronómicas del Sol. Luego, el gigante comenzó a retroceder lentamente hasta que volvió a su órbita actual de 5 unidades astronómicas.
Si no fuera por la migración de Júpiter y Saturno, que es arrastrada por él, hacia el Sol y viceversa, la región interna del Sistema Solar (arriba) se vería así ahora (abajo).
La hipótesis de la Gran Maniobra explicó acertadamente muchas características muy inusuales del sistema solar. Júpiter, durante su viaje al Sol y de regreso, tuvo que despejar el lugar de formación de los planetas terrestres de la masa "extra" de gas y polvo, privándolos de la oportunidad de convertirse en super-Tierras. Al mismo tiempo, los lugares donde se formaron Marte y el cinturón de asteroides fueron los más afectados por la gravedad del planeta gigante, lo que llevó a su masa anormalmente pequeña (y es, desde el punto de vista de la evolución del sistema solar, tal).
Pero a pesar de todo el atractivo de la hipótesis, parece bastante complicada, razón por la cual muchos astrónomos aún dudan de que sea correcta. En el nuevo trabajo, Rene Eller y sus coautores decidieron probar qué efecto podría tener la Gran Maniobra en las lunas de Júpiter. Su idea es simple: es necesario simular el desarrollo del sistema solar con y sin maniobras, y luego comparar los resultados. Si la simulación con maniobras se parece más a la verdad, significa que el nuevo trabajo será una prueba más de la hipótesis. Si sin maniobrar, que así sea, significa que la hipótesis de un Júpiter migratorio es demasiado exótica.
De mayor interés para este tipo de simulaciones son Ganímedes y Calisto, dos grandes satélites de Júpiter, mitad agua y mitad sólido. El hecho es que si la hipótesis de maniobra es correcta, entonces ambos cuerpos deberían haberse formado antes de la propia maniobra: los objetos con tal proporción de hielo de agua no aparecen en lugares que están más cerca de una cierta distancia del Sol. Según los cálculos de los autores, teniendo en cuenta la influencia del Júpiter más joven y su disco circumplanetario, Calisto y Ganímedes podrían surgir a no menos de 4 unidades astronómicas del Sol.
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Titán (en la esquina inferior izquierda) no está lejos de la Luna en tamaño y gravedad, pero donde se formó había más elementos ligeros, por lo tanto, un satélite relativamente pequeño tiene una atmósfera de nitrógeno cuatro veces más densa que la Tierra.
¿Qué tipo de rastros podría dejar el gran Tacking en los satélites? Se trata de la atmósfera. Los autores del trabajo partieron de la suposición de que la atmósfera de Titán, la luna de Saturno, y la ahora atmosférica Calisto y Ganímedes de Júpiter, eran inicialmente similares, así como sus masas y zonas de formación.
Al mismo tiempo, las estimaciones de los modelos existentes dicen que la atmósfera de Titán, que es cuatro veces más densa que la de la Tierra, puede perderse por gravitación no antes de un billón de años. Incluso si para los satélites de Júpiter, esta cifra se reduce varias veces, tal atmósfera simplemente no podría ser perdida por ellos durante la vida del sistema solar. Por lo tanto, los científicos sugirieron que el calentamiento de los satélites, causado por las fuerzas de gravedad de las mareas del gigante gaseoso, jugó un papel clave en la pérdida de la atmósfera.
Al mismo tiempo, el modelado sin viradas mostró que, a pesar del poderoso campo gravitacional, Júpiter podría proporcionar calentamiento y pérdida de la envoltura de gas solo en satélites cercanos a este planeta, como Io y Europa. Pero Ganímedes y Calisto estarían detrás de la "línea de nieve" del disco primario cercano a Júpiter y no habrían podido perder la atmósfera debido al calentamiento.
Aparentemente, Calisto es rica en elementos ligeros (como Titán), e incluso tiene un océano bajo el hielo, pero no tiene una atmósfera significativa.
Cuando los autores del trabajo introdujeron en su modelado los efectos de la Gran Maniobra, "colocando" a Júpiter con su disco a 1,5 AU. del Sol, donde recibiría unas diez veces más radiación solar, la situación ha cambiado.
Según datos modernos, el Sol en el primer millón de años de su vida emitió de 100 a 10,000 veces más rayos X y radiación ultravioleta de lo que emite ahora. Un cuerpo con una atmósfera de nitrógeno, como la actual Tierra o Titán, en tales condiciones inevitablemente pierde su envoltura de gas. El hecho es que la energía de los fotones de dicha radiación es mucho mayor que la de la luz visible y, habiéndolos absorbido, las partículas de nitrógeno tuvieron que ganar rápidamente una velocidad de varios kilómetros por segundo y abandonar la atmósfera. Según los cálculos de los autores, en tales condiciones, la atmósfera primaria de nitrógeno de la Tierra se perdería en unos pocos millones de años. Y cuerpos como Ganimedes y Calisto en una órbita de 1,5 AU. debería haber perdido su atmósfera aún más rápido.
Esta conclusión distingue favorablemente el modelo de las Grandes Maniobras del supuesto de que las órbitas planetarias permanecen sin cambios. En el marco de este último, es muy difícil imaginar cómo exactamente los satélites de Júpiter podrían perder su atmósfera sin perder agua helada en el camino.
Titán tiene su propia atmósfera
Explicar por qué, en estas condiciones, Titán no perdió su atmósfera, junto con Saturno en 2 UA. del Sol, los autores se basaron en datos del modelado del disco circumplanetario primario de Saturno. Según él, Titán como satélite no pudo formarse antes de la Gran Maniobra. Los planetas del Solar, tal como vemos en los sistemas exoplanetarios, se formaron a diferentes ritmos, y cuando el más masivo (Júpiter) ya había completado este proceso, Saturno aún no había "ganado" alrededor del 10 por ciento de su masa. Esto significa que en el momento de la Gran Maniobra, todavía estaba absorbiendo activamente materia de su disco circumplanetario. En tales condiciones, Titán, si existiera en ese momento, seguramente caería ante Saturno. Por lo tanto, concluye Eller, en realidad, Titán podría haberse formado solo unos pocos cientos de miles de años después de la finalización de la maniobra.
¿Cómo tenía la Tierra una atmósfera de nitrógeno en tales condiciones? Los autores señalan que, según una serie de otros trabajos, en la atmósfera primaria de la Tierra con su gravedad significativa había una gran cantidad de dióxido de carbono, que interactúa con los fotones energéticos de una manera completamente diferente y, después de absorberlos, podría reemitir efectivamente la energía recibida al espacio, enfriando las capas superiores de la entonces atmósfera terrestre. …
Los astrónomos llegan a la conclusión de que en la configuración actual del sistema solar, es casi imposible proponer otro escenario en el que algunos satélites de los planetas gigantes tengan una atmósfera cuatro veces más densa que la Tierra, mientras que otros no la tienen en absoluto. Pero dentro del marco de la hipótesis de la Gran Maniobra, la apariencia actual de los satélites de Júpiter y Saturno puede explicarse con mucho más éxito que si asumimos que ambos planetas nunca migraron al Sol y regresaron.
Y al mismo tiempo, la hipótesis tiene muchos problemas sin resolver. La clave sigue siendo que es extremadamente difícil verificarlo por completo. Demasiado ha cambiado en nuestro sistema durante los últimos 4.500 millones de años y muchos factores importantes que influyeron en el período inicial de su historia sólo pueden restaurarse indirectamente. No se trata solo de la velocidad de los procesos de migración, que dependían en gran medida de la densidad no del todo clara de la antigua nube protoplanetaria circunsolar. Varios modelos nos obligan a asumir que durante las migraciones de esa época, los gigantes gaseosos podrían haber expulsado uno o dos grandes planetas del sistema solar por interacción gravitacional, y en este caso, los cuerpos que observamos pueden no dar información completamente exhaustiva sobre eventos pasados. Para una confirmación más completa de la hipótesis, se necesitan datos de observación más completos para el mismo Ganímedes y Calisto, que el grupo de Eller espera recibir de la nave espacial europea JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), que viajará a las lunas de Júpiter en 2022-2030.
Boris Alexandrov
