Co naukowcy odkryli analizując pył w Układzie Słonecznym?

Ilustracja przedstawiająca kilka pierścieni pyłowych wokół Słońca. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

Tak samo jak pył gromadzi się w rogach i wzdłuż regałów w naszych domach, tak i gromadzi się w przestrzeni kosmicznej. Jednak kiedy pył gromadzi się w układzie słonecznym, często tworzy pierścienie. Kilka takich pierścieni pyłowych okrąża Słońce. Pierścienie wskazują orbity planet, których grawitacja wciąga pył na orbity wokół Słońca, gdy ten dryfuje w kierunku centrum Układu Słonecznego.

Pył składa się ze skruszonych pozostałości po okresie formowania się Układu Słonecznego, około 4,6 miliarda lat temu – jest to gruz pozostały po zderzeniach planetoid lub pozostałości po kometach. Pył jest rozproszony po całym Układzie Słonecznym, ale gromadzi się w ziarnistych pierścieniach nałożonych na orbity Ziemi i Wenus; pierścienie, które można zobaczyć za pomocą teleskopów na Ziemi. Badając ten pył – z czego jest zrobiony, skąd pochodzi i jak przemieszcza się w przestrzeni kosmicznej – naukowcy szukają wskazówek, które pomogą im zrozumieć narodziny planet i skład chemiczny wszystkiego co obserwujemy w Układzie Słonecznym.

Dwa ostatnie projekty badawcze donoszą o nowych odkryciach pierścieni pyłowych w wewnętrznym układzie słonecznym. W ramach jednego z nich wykorzystano dane NASA do przedstawienia dowodów na istnienie pierścienia pyłowego wokół Słońca na orbicie Merkurego. Natomiast w drugim NASA identyfikuje prawdopodobne źródło pierścienia pyłu na orbicie Wenus: grupę nigdy wcześniej nie odkrytych planetoid krążących razem z planetą po tej samej orbicie.

„Nie co dzień można odkryć coś nowego w wewnętrznej części Układu Słonecznego” – powiedział Marc Kuchner, autor projektu badania Wenus i astrofizyk w Centrum Lotów Kosmicznych NASA w Greenbelt w stanie Maryland. „Przecież to jest tuż obok”.

Kolejny pierścień wokół Słońca

Guillermo Stenborg i Russell Howard, naukowcy zajmujący się badaniem Słońca z Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, D.C., nie zamierzali szukać żadnych pierścieni pyłowych. „Znaleźliśmy go przypadkiem”, powiedział Stenborg, śmiejąc się. Naukowcy podsumowali swoje odkrycia w artykule opublikowanym w The Astrophysical Journal w dniu 21 listopada 2018 r.

Badacze opisują dowody na drobną mgłę kosmicznego pyłu na orbicie Merkurego, tworzącą pierścień o szerokości około 15 milionów kilometrów. Merkury – którego średnica to 4900 kilometrów – przedziera się przez ten rozległy szlak pyłu, okrążając Słońce po swojej orbicie.

Jak na ironię, dwaj naukowcy natknęli się na pierścień pyłu, szukając dowodów na istnienie obszaru pozbawionego pyłu w pobliżu Słońca. W pewnej odległości od Słońca, zgodnie z podejrzeniami, które mają już kilkadziesiąt lat, potężne ciepło gwiazdy powinno odparować pył czyszcząc w ten sposób całkiem spory obszar przestrzeni kosmicznej. Wiedząc, gdzie jest ta granica, można dowiedzieć się jaki jest skład tego pyłu oraz w jaki sposób powstały planety w młodym układzie słonecznym.

Jak dotąd nie znaleziono dowodów na obecność przestrzeni wolnej od pyłu, ale częściowo dlatego, że trudno byłoby ją wykryć z Ziemi. Bez względu na to, jak naukowcy patrzą z Ziemi, cały pył między nami a Słońcem przeszkadza w obserwacjach, skłaniając ich do myślenia, że ​​przestrzeń w pobliżu zawiera więcej pyłu niż w rzeczywistości.

Stenborg i Howard doszli do wniosku, że mogą obejść ten problem, budując model oparty na zdjęciach przestrzeni międzyplanetarnej wykonanych przez sondę STEREO (Solar and Terrestrial Relations Observatory).

Ostatecznie obaj chcieli przetestować swój nowy model w ramach przygotowań do misji sondy Parker Solar Probe, która obecnie przemieszcza się po bardzo eliptycznej orbicie wokół Słońca, zbliżając się do niego przez następne siedem lat. Badacze chcieli zastosować swoją technikę do zdjęć, które Parker prześle na Ziemię i sprawdzić jak zachowuje się pył w pobliżu Słońca.

Naukowcy nigdy nie pracowali z danymi zebranymi w tym niezbadanym obszarze, tak blisko Słońca. Modele, takie jak Stenborga i Howarda, stanowią istotny kontekst dla zrozumienia obserwacji Parker Solar Probe, a także wskazują, w jakim środowisku kosmicznym sonda będzie przebywała.

Na obrazach STEREO pojawiają się dwa rodzaje światła: światło z gorącej zewnętrznej atmosfery Słońca – zwanej koroną – i światło odbijające się od pyłu unoszącego się w przestrzeni. Światło słoneczne odbite od tego pyłu, który powoli okrąża Słońce, jest około 100 razy jaśniejsze niż światło koronalne.

„Tak naprawdę nie jesteśmy specjalistami od pyłu”, powiedział Howard, który jest także głównym naukowcem kamer zainstalowanych na pokładzie STEREO i Parker Solar Probe, które robią zdjęcia korony. „Pył blisko Słońca pojawia się w naszych obserwacjach i zazwyczaj go usuwaliśmy”. Heliofizycy tacy jak Howard – którzy badają aktywność słoneczną do celów takich jak prognozowanie pogody kosmicznej, w tym gigantyczne eksplozje materii słonecznej, którą Słońce może czasami wysyłać w naszą stronę – spędzili lata na opracowywaniu technik usuwania tego pyłu ze zdjęć. Dopiero po usunięciu lekkiego zanieczyszczenia z pyłu mogą wyraźnie zobaczyć, co robi korona.

Obaj naukowcy zbudowali swój model jako narzędzie do usuwania nieznośnego pyłu ze zdjęć wykonywanych przez sondę STEREO – i ewentualnie Parker Solar Probe – ale przewidywanie wolnej od pyłu przestrzeni pozostało w ich głowach. Gdyby mogli wymyślić sposób na rozdzielenie dwóch rodzajów światła i odizolować pył, mogliby dowiedzieć się, ile go naprawdę jest. Na przykład stwierdzenie, że całe światło na zdjęciu pochodzi z samej korony, może wskazywać, że w końcu znaleźli obszar wolny od pyłu.

Pierścień pyłowy Merkurego był przypadkowym odkryciem, którego Stenborg i Howard dokonali podczas pracy nad swoim modelem. Kiedy wykorzystali swoją nową technikę na zdjęciach z sondy STEREO, zauważyli zwiększoną jasność wzdłuż orbity Merkurego – czyli więcej pyłu – w świetle, które planowali usunąć.

„To nie był odosobniony przypadek” – powiedział Howard. „Wszędzie wokół Słońca, niezależnie od pozycji sondy, mogliśmy zobaczyć ten sam pięcioprocentowy wzrost jasności pyłu lub gęstości. To mówiło nam, że coś tam jest, i jest to coś, co rozciąga się wokół Słońca”.

Naukowcy nigdy nie uważali, że wzdłuż orbity Merkurego może istnieć pierścień, co może tłumaczyć dlaczego do tej pory nikt go nie zauważył, powiedział Stenborg. „Ludzie myśleli, że Merkury, w przeciwieństwie do Ziemi lub Wenus, jest zbyt mały i zbyt blisko Słońca, aby utrzymać pierścień pyłu”, powiedział. „Wszyscy spodziewali się, że wiatr słoneczny i siły magnetyczne Słońca wydmuchają nadmiar pyłu znajdującego się na orbicie Merkurego”.

Dzięki nieoczekiwanemu odkryciu i nowemu instrumentowi, naukowcy nadal chcą badać strefę wolną od pyłu. Podczas gdy Parker Solar Probe kontynuuje badania korony, ich model może pomóc innym odkryć wszelkie inne zagęszczenia pyłu czające się w pobliżu Słońca.

Planetoidy ukrywające się na orbicie Wenus

To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy znaleźli pierścień pyłowy w wewnętrznym układzie słonecznym. Dwadzieścia pięć lat temu naukowcy odkryli, że Ziemia krąży wokół Słońca w olbrzymim pierścieniu pyłu. Inni badacze odkryli podobny pierścień w pobliżu orbity Wenus, najpierw wykorzystując dane archiwalne z niemiecko-amerykańskich sond kosmicznych Helios w 2007 r., następnie potwierdzając je w 2013 r. danymi z sondy STEREO.

Od tego czasu naukowcy ustalili, że pierścień pyłu na orbicie Ziemi pochodzi głównie z pasa asteroid, rozległego regionu w kształcie pączka z dziurką między Marsem a Jowiszem, gdzie żyje większość planetoid układu słonecznego. Te skaliste obiekty nieustannie uderzają o siebie, tworząc pył, który dryfuje głębiej w stronę Słońca, chyba że grawitacja Ziemi odciągnie taki pył na orbitę naszej planety.

Początkowo wydawało się prawdopodobne, że pierścień pyłu Wenus uformował się jak Ziemia, z pyłu wytworzonego w innym miejscu Układu Słonecznego. Ale kiedy Petr Pokorny, asrtofizyk z Goddarda stworzył model pyłu opadającego po spirali w kierunku Słońca z Pasa Planetoid, jego symulacje wytworzyły pierścień, który pasował do obserwacji pierścienia Ziemi – ale nie do Wenus ”.

Ta rozbieżność sprawiła, że ​​zastanawiał się, skoro to nie pas planetoid, to skąd pochodzi pył na orbicie Wenus? Po serii symulacji Pokorny i jego współpracownik Marc Kuchner postawili hipotezę, że pochodzi ona z grupy nigdy wcześniej nie odkrytych planetoid krążących wokół Słońca obok Wenus. Badacze opublikowali wyniki swoich badań w periodyku The Astrophysical Journal Letters 12 marca 2019 roku.

„Myślę, że najbardziej ekscytującą rzeczą w naszych wynikach jest to, że sugerują one istnienie nowej populacji planetoid, która prawdopodobnie zawiera wskazówki, jak powstał układ słoneczny” – powiedział Kuchner. Jeśli Pokorny i Kuchner zdołają je zaobserwować, ta rodzina planetoid może rzucić światło na wczesną historię Ziemi i Wenus. Obserwowane przez odpowiednie instrumenty, planetoidy mogą również odkryć przed nami wskazówki dotyczące chemicznej różnorodności Układu Słonecznego.

Ponieważ jest rozproszony na większej orbicie, pierścień pyłu Wenus jest znacznie większy niż nowo wykryty pierścień przy Merkurym. Około 25 milionów kilometrów od góry do dołu i o szerokości 10 milionów kilometrów pierścień ten jest wypełniony pyłem, którego największe ziarna są mniej więcej wielkości ziaren gruboziarnistego papieru ściernego. Jest w nim około 10 procent więcej pyłu niż w otaczającej przestrzeni. Mimo to jest rozproszony – gdyby zebrać cały pył z pierścienia, to utworzyłby planetoidę o średnicy nieco ponad 3 kilometrów.

Używając tuzina różnych narzędzi do modelowania do symulacji przemieszczania się pyłu w Układzie Słonecznym, Pokorny stworzył modele wszystkich źródeł pyłu, które tylko mógł wymyślić, szukając symulowanego pierścienia Wenus, który pasowałby do obserwacji. Lista wszystkich źródeł, które wypróbował, brzmi jak spis wszystkich skalistych obiektów w Układzie Słonecznym: planetoidy z Pasa Głównego, komety z Obłoku Oorta, komety typu Halleya, komety z rodziny Jowisza, niedawne zderzenia w pasie asteroid.

„Ale żaden z nich nie działał” – powiedział Kuchner. „Zaczęliśmy więc tworzyć własne źródła pyłu”.

Być może, myśleli dwaj naukowcy, pył pochodził z planetoid znajdujących się znacznie bliżej Wenus niż pas planetoid. Może istnieje grupa planetoid krążących wokół Słońca z Wenus – co oznacza, że ​​dzielą orbitę Wenus, ale trzymają się z daleka od planety, często wręcz po drugiej stronie Słońca. Pokorny i Kuchner uzasadnili, że grupa planetoid na orbicie Wenus mogła dotąd pozostać niewykryta, ponieważ trudno jest skierować ziemskie teleskopy w tym kierunku, tak blisko Słońca, bez interferencji światła od Słońca.

Planetoidy współorbitujące są przykładem tzw. rezonansu, który blokuje różne orbity razem, w zależności od tego, jak spotykają się ich wpływy grawitacyjne. Pokorny i Kuchner wymodelowali wiele potencjalnych rezonansów: na przykład planetoidy okrążające Słońce na każde trzy orbity Wenus, lub dziewięć razy na dziesięć Wenus i jeden na jeden. Spośród wszystkich możliwości jedna grupa sama w sobie stworzyła realistyczną symulację pierścienia pyłu Wenus: grupy planetoid, które zajmują orbitę Wenus i podróżują po niej z tą samą prędkością co Wenus.

Ale naukowcy nie mogli skończyć na znalezieniu hipotetycznego rozwiązania, które zadziałało. „Myśleliśmy, że odkryliśmy tę populację planetoid, ale potem musieliśmy to udowodnić i pokazać, że działa” – powiedział Pokorny. „Byliśmy podekscytowani, ale potem zdajesz sobie sprawę ile pracy jeszcze przed tobą”.

Musieli pokazać, że samo istnienie planetoid ma sens w układzie słonecznym. Zdawali sobie sprawę, że mało prawdopodobne jest, że planetoidy na tych specjalnych, kołowych orbitach w pobliżu Wenus dotarły tam z innego miejsca, niż pas planetoid. Ich hipoteza byłaby bardziej sensowna, gdyby planetoidy były tam od samego początku Układu Słonecznego.

Naukowcy stworzyli kolejny model, tym razem zaczynając od grupy 10 000 planetoid sąsiadujących z Wenus. Pozwolili, aby symulacja przebiegła szybko przez 4,5 miliarda lat historii Układu Słonecznego, uwzględniając wszystkie efekty grawitacyjne z każdej z planet. Kiedy model dotarł do dzisiejszych czasów, około 800 testowych planetoid wciąż istniało.

Pokorny uważa to za optymistyczny wskaźnik przetrwania. Wskazuje, że planetoidy mogły się uformować w pobliżu orbity Wenus w chaosie wczesnego Układu Słonecznego, a niektóre mogły pozostać tam do dzisiaj, zasilając znajdujący się w pobliżu pierścień pyłu.

Następnym krokiem jest odkrycie i zaobserwowanie tych nieuchwytnych planetoid. „Jeśli coś tam jest, powinniśmy go znaleźć” – powiedział Pokorny. Ich istnienie można zweryfikować za pomocą kosmicznych teleskopów, takich jak Hubble, a może i międzyplanetarne sondy kosmiczne takie jak STEREO. Następnie naukowcy będą mieli więcej pytań, na które będą musieli odpowiedzieć: ile ich tam jest i jak dużych? Czy ciągle tworzą pył, czy było tylko jedno zdarzenie rozpadu?

Pierścienie pyłowe wokół innych gwiazd

Pierścienie pyłowe, które ciągną za sobą Merkury i Wenus, znajdują się tuż obok, ale naukowcy zauważyli już wiele innych pierścieni pyłowych w odległych układach planetarnych. Ogromne pierścienie pyłu mogą być łatwiejsze do wykrycia niż egzoplanety i mogą być wykorzystane do wnioskowania o istnieniu ukrytych planet, a nawet ich właściwości orbitalnych.

Ale interpretacja pozasłonecznych pierścieni pyłowych nie jest prosta. „Aby modelować i dokładnie odczytywać pierścienie pyłu wokół innych gwiazd, musimy najpierw zrozumieć fizykę pyłu na naszym własnym podwórku” – powiedział Kuchner. Badając sąsiednie pierścienie pyłu przy Merkurym, Wenus i Ziemi, naukowcy mogą opracować techniki czytania między pierścieniami. Zarówno tymi blisko, jak i daleko.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.