PALE RED DOT: Dynamika układów planetarnych

front.001-1-672x372

Autor: Francisco J. Pozuelos, Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)

Ostatecznym celem badań planet pozasłonecznych jest ustalenie naszego miejsca we Wszechświecie. Czy jesteśmy tylko wynikiem normalnej ewolucji? To znaczy, czy życie ma tendencję do pojawiania się wszędzie wokół, co oznaczałoby, że powstanie inteligentnych form życia jest tylko kwestią czasu. Czy odwrotnie, jesteśmy unikalni? Czy jesteśmy efektem procesu, do którego doszło zaledwie kilka razy w całej historii Wszechświata? To pytanie wisi nad ludzkością od powstania świadomości, i po raz pierwszy w historii zbliżamy się do odpowiedzi na nie. Żyjemy w bardzo ekscytującym momencie historii.

Gdy kolejnej generacji teleskopy i instrumenty zwrócą się ku niebu, będziemy w stanie obserwować układy planetarne jak nigdy wcześniej. Superziemie, egzotyczne planety, układy planetarne w ekstremalnych warunkach… Nie wiemy nawet co uda nam się znaleźć, ale z pewnością czeka nas wiele niespodzianek.

foto
Wizja artystyczna sondy PLATO poszukującej egzotycznych układów egzoplanetarnych. Źródło: DLR (Susanne Pieth).

Niemniej jednak, należy wziąć pod uwagę fakt, że owa nowa technologia dostarcza nam jedynie obrazu zamrożonego w czasie. Aby zrozumieć to co obserwujemy, niezbędne są badania dynamiki obejmujące okres istnienia układu, który może wynosić od kilku milionów do miliardów lat. Wykonanie tego zadania jest możliwe dzięki wielkiemu postępowi nauk obliczeniowych, do którego doszło w ostatnich dziesięcioleciach. Dzięki temu możemy zbadać w jakich procesach układy doszły do stanu w którym je teraz obserwujemy i jak będą ewoluować w przyszłości. Niezbędne jest także zrozumienie, że poszczególne układy planetarne musimy badać jako całość, uwzględniając inne planety, dyski protoplanetarne, nawet ewolucję gwiazdy macierzystej. Poniżej przedstawiamy kilka elementów dynamiki planet, które pozwolą nam poszerzyć nasza wiedzę o formowaniu i ewolucji układów planetarnych:

  • Interakcje planeta-planeta oraz migracje. Wydaje się, że układy składające się z wielu planet mają bardziej kołowe orbity. Ten fakt obniża wpływ planet na siebie, dzięki czemu mogą one być stabilne przez bardzo długie okresy czasu. Z drugiej strony, układy planetarne, w których występują planety podążające po wydłużonych orbitach powodują chaotyczne i niestabilne scenariusze, w których poszczególne planety mogą się ze sobą zderzać lub wyrzucać inne na zewnątrz układu. Dodatkowo, na pierwszych etapach ewolucji po procesie formowania układu, planety mogą migrować. Wskutek takiego procesu migracji planety mogą zmieniać orbity na bardziej zewnętrzne lub wewnętrzne: taki scenariusz może tłumaczyć istnienie tzw. gorących jowiszów.
    Symulacja przedstawiająca ewolucję Układu Słonecznego. Po lewej: wczesna konfiguracja zewnętrznych planet i pasa planetazymali przed powstaniem rezonansu 2:1 Jowisza i Saturna. Po środku: rozproszenie planetazymali do wnętrza Układu Słonecznego po przesunięciu orbity Neptuna (ciemnoniebieski) i Urana (jasnoniebieski). Po prawej: ostateczna konfiguracja po wyrzuceniu planetazymali przez planety. Źródło: R. Gomes et al.
    Symulacja przedstawiająca ewolucję Układu Słonecznego. Po lewej: wczesna konfiguracja zewnętrznych planet i pasa planetazymali przed powstaniem rezonansu 2:1 Jowisza i Saturna. Po środku: rozproszenie planetazymali do wnętrza Układu Słonecznego po przesunięciu orbity Neptuna (ciemnoniebieski) i Urana (jasnoniebieski). Po prawej: ostateczna konfiguracja po wyrzuceniu planetazymali przez planety. Źródło: R. Gomes et al.

     

  • Oddziaływania pływowe. Niektóre techniki obserwacyjne wykorzystywane do wykrywania obecności egzoplanet są bardziej czułe na planety znajdujące się stosunkowo blisko gwiazdy macierzystej. Takie planety wskutek tej bliskości będą doświadczały bardzo silnego oddziaływania pływowego. Istotność tych pływów w ewolucji planet na ciasnych orbitach została uwidoczniona w momencie odkrycia 51 Peg b, której półoś wielka orbity wynosiła zaledwie 5% odległości Słońce-Ziemia. Od tego czasu wiemy, że oddziaływania pływowe między gwiazdą macierzystą a bliskimi jej planetami odpowiadają za wiele istotnych efektów. Przykładowo wiemy, że takie oddziaływania prowadzą do zrównania osi obrotu planet, synchronizacji okresów rotacji z okresem orbitalnym, zmniejszania eliptyczności orbity (pływowe ukołowienie orbity), zmniejszanie półosi wielkiej i zamiana energii orbitalnej na pływowe ogrzewanie planety. Skutki ogrzewania pływowego skalistych lub ziemskich planet czy egzoksiężyców mogą mieć kluczowy wpływ na możliwość powstania życia na nich. Przykładowo – w Układzie Słonecznym – chłodny satelita Europa jest lodowym globem pokrytym grubą na 150 km skorupą lodową, we wnętrzu którego istnieje globalny ocean wody właśnie dzięki oddziaływaniom pływowym. W przypadku Io – innego księżyca Jowisza, ekstremalne oddziaływania pływowe odpowiadają za intensywny wulkanizm i gwałtowne zmiany na powierzchni, które praktycznie eliminują jakąkolwiek możliwość powstania życia. Dlatego też odpowiednie uwzględnienie oddziaływań pływowych jest absolutnie niezbędne do oceny tego czy na planecie mogło/może/będzie mogło powstać jakiekolwiek życie. Szczególnym zainteresowaniem będą się cieszyły planety na ciasnych orbitach, sklasyfikowane jako planety typu ziemskiego, krążące wokół gwiazd typu widmowego M, wokół których ekostrefy rozciągają się właśnie tam, gdzie można się spodziewać silnych oddziaływań pływowych.
Ewolucja półosi wielkiej (a), mimośrodu (e), oraz odległości syntentycznego układu planetarnego składającego się z planet podobnych do Jowisza i do Ziemi przy uwzględnieniu oddziaływań pływowych. Źródło: Francisco J. Pozuelos.
Ewolucja półosi wielkiej (a), mimośrodu (e), oraz odległości syntentycznego układu planetarnego składającego się z planet podobnych do Jowisza i do Ziemi przy uwzględnieniu oddziaływań pływowych. Źródło: Francisco J. Pozuelos.

 

  • Interakcje dysk odłamkowy-planeta. Dyski odłamkowe podobne jakościowo do głównego pasa planetoid czy Pasa Kuipera w Układzie Słonecznym, zostały zaobserwowane w wielu układach egzoplanetarnych. Owe dyski składają się z materii drugiej generacji, a ich obecność wskazuje na istnienie sporej populacji planetazymali. Zakres zderzeń tych małych ciał z planetami jest szczególnie interesujący w tych układach planetarnych, w których planety znajdują się w ekostrefie. Z jednej strony, przyjmuje się, że stanowią one ważne źródło wody i związków organicznych już po zakończeniu okresu formowania. Z drugiej strony, duże zderzenia eliminują możliwość istnienia życia. Ten fakt został doskonale zrozumiany podczas zapierającego dech w piersiach uderzenia komety Shoemaker-Levy 9 w Jowisza w 1994 roku,  kiedy to po raz pierwszy na żywo obserwowano zderzenie dwóch ciał w Układzie Słonecznym.

Wszystkie te badania będą uzupełniały korpus informacji uzyskanych za pomocą teleskopów, dając nam lepszy ogląd ewolucji układów planetarnych. Dzięki temu będziemy w stanie określić jak często, albo jak rzadko powstają układy takie jak Układ Słoneczny, a w nich planety takie jak Ziemia.

 

me

O Autorze

Francisco J. Pozuelos jest badaczem w Instituto de Astrofísica de Andalucía w Hiszpanii. Otrzymał tytuł doktora w 2014 roku badając związek między aktywnością komet a ich ewolucją dynamiczną. Jego badania rozszerzają naszą wiedzę o powstawaniu naszego Układu Słonecznego oraz o grawitacyjnych interakcjach między małymi ciałami a planetami Układu Słonecznego. Od 2014 roku Pozuelos współpracuje z PLATO 2.0-ESPAÑA na Uniwersytecie w Granadzie (Hiszpania), gdzie opracowuje kody obliczeniowe do badania ewolucji układów planetarnych, uwzględniające takie procesy jak ewolucja gwiazdy, oddziaływania pływowe i wiatry gwiezdne.

Źródło: Pale Red Dot