199911_wedrujace_planety.pdf

W«drujce planety

Renu Malhotra

Czy Uk¸ad S¸oneczny

zawsze wyglda¸

tak jak dziæ?

Z najnowszych danych

wynika, ýe planety

zewn«trzne mog¸y

przew«drowa

ZMIENIONA ORBITA

JOWISZA

na swoje

obecne orbity

SüOÁCE

ORBITA

JOWISZA

ORBITA

NEPTUNA

ZMIENIONA ORBITA

NEPTUNA

TOR

PLANETOZYMALI

NEPTUN

NOWO NARODZONY NEPTUN w«drowa¸ poærd roju niewielkich ska-

listych i lodowych tworw zwanych planetozymalami (na nast«pnej stro-

nie) . Niektre uderza¸y w planet«, lecz wi«kszoæ by¸a rozpraszana przez

grawitacj« Neptuna w kierunku Jowisza, ktry wyrzuca¸ je z Uk¸adu S¸o-

necznego (powyýej) . Podczas typowego rozproszenia Neptun uzyskiwa¸

energi« i jego orbita nieznacznie si« powi«ksza¸a. Miliardy takich spotkaÄ

mog¸y spowodowa przew«drowanie planety na jej obecn orbit«.

PLANETOZYMALA

34 å WIAT N AUKI Listopad 1999

necznego kaýda planeta krýy wok¸ S¸oÄ-

ca po æciæle okreælonej orbicie, zachowujc

stosowny dystans do swych ssiadw. Na tej niebiaÄ-

skiej karuzeli planety si« kr«c, odkd astronomowie

zacz«li rejestrowa ich ruchy, a z modeli matematycz-

nych wynika, ýe ta bardzo stabilna konfiguracja utrzy-

muje si« przez wi«kszoæ liczcej 4.5 mld lat historii

Uk¸adu S¸onecznego. Kuszce jest wi«c za¸oýenie, ýe

planety ãnarodzi¸y si«Ó na orbitach, na ktrych je dzi-

siaj obserwujemy.

Z pewnoæci jest to najprostsza hipoteza. Wsp¸cze-

æni astronomowie sdzili na og¸, ýe obserwowane od-

leg¸oæci planet od S¸oÄca wskazuj na miejsca ich na-

rodzin w mg¸awicy protos¸onecznej Ð pierwotnym

dysku gazowo-py¸owym, ktry da¸ pocztek Uk¸adowi

S¸onecznemu. Z promieni orbit planet wnioskowano

o rozk¸adzie masy wewntrz tego ob¸oku. Dysponujc

å WIAT N AUKI Listopad 1999 35

W znanych pogldowych modelach Uk¸adu S¸o-

NEPTUN

PLUTON

URAN

SATURN

JOWISZ

SüOÁCE

NEPTUN

URAN

SATURN

SüOÁCE

JOWISZ

PLUTON

t podstawow informacj, teoretycy

na¸oýyli ograniczenia na charakter i ska-

le czasowe formowania si« planet.

Wskutek tego wi«kszoæ naszej wiedzy

o prehistorii Uk¸adu S¸onecznego opar-

ta jest na za¸oýeniu, ýe planety narodzi-

¸y si« na swych obecnych orbitach.

Przyjmuje si« jednak powszechnie, ýe

wiele mniejszych cia¸ Uk¸adu S¸onecz-

nego Ð planetoidy, komety i ksi«ýyce

planet Ð zmieni¸o swoje orbity w cigu

ostatnich 4.5 mld lat, i to niekiedy w na-

der dramatyczny sposb. Dobitnym

æwiadectwem dynamicznego zachowa-

nia niektrych obiektw w Uk¸adzie S¸o-

necznym by¸a zag¸ada komety Shoema-

ker-Levy 9, ktra w 1994 roku uderzy¸a

w Jowisza. Jeszcze mniejsze obiekty Ð

czstki mi«dzyplanetarne o rozmiarach

mili- i mikrometrw, wytrzsane z ko-

met i planetoid Ð ewoluuj bardziej p¸yn-

nie, ¸agodnie przesuwajc si« w stron«

S¸oÄca i opadajc deszczem meteorytw

na napotkane planety.

Ponadto wiele ksi«ýycw planet

znacznie zmieni¸o swoje orbity od cza-

su narodzin. Przypuszcza si« na przy-

k¸ad, ýe Ksi«ýyc powsta¸ 30 tys. km od

Ziemi Ð lecz teraz krýy po orbicie odle-

g¸ej o 384 tys. km. Wskutek dzia¸ania si¸

p¸ywowych (niewielkich momentw si¸

grawitacyjnych), wywieranych przez

nasz planet«, oddali¸ si« w cigu ostat-

niego miliarda lat o prawie 100 tys. km.

Ponadto wiele naturalnych satelitw

planet zewn«trznych krýy po orbitach

æciæle ze sob sprz«ýonych: na przyk¸ad

okres orbitalny Ganimedesa, najwi«k-

szego ksi«ýyca Jowisza, jest dwa razy

d¸uýszy niý Europy, a tej z kolei dwa ra-

zy d¸uýszy niý Io. T« dok¸adn synchro-

nizacj« uwaýa si« za wynik stopniowej

ewolucji orbit satelitw na skutek dzia-

¸ania si¸ p¸ywowych wywieranych przez

planet«, wok¸ ktrej krý.

Aý do niedawna niewiele przemawia-

¸o za tym, ýe uk¸ad orbit planet zmieni¸

si« znacznie od czasw ich powstania.

Lecz pewne nowe godne uwagi wyda-

rzenia w cigu ostatnich pi«ciu lat wska-

zuj na to, ýe planety mog¸y rzeczywi-

æcie przew«drowa ze swych pierwot-

nych orbit. Odkrycie pasa Kuipera do-

wiod¸o, ýe nasz Uk¸ad S¸oneczny nie koÄ-

czy si« na Plutonie. Mniej wi«cej 100 tys.

lodowych ãplanetekÓ (o ærednicach 100Ð

1000 km) i jeszcze liczniejsza grupa

mniejszych cia¸ rozciga si« od orbity

Neptuna Ð oko¸o 4.5 mld km od S¸oÄca Ð

na co najmniej dwukrotnie wi«ksz od-

36 å WIAT N AUKI Listopad 1999

bit pozosta¸ych oæmiu g¸wnych planet.

Orbita Plutona jest wyd¸uýona: podczas

jednego pe¸nego obiegu odleg¸oæ plane-

ty od S¸oÄca zmienia si« z 29.7 do 49.5 j.a.

(jednostka astronomiczna rwna si« æred-

niej odleg¸oæci mi«dzy Ziemi a S¸oÄcem

i wynosi oko¸o 150 mln km). Pluton jed-

noczeænie wznosi si« na 8 j.a. powyýej i

opuszcza na 13 j.a. poniýej æredniej p¸asz-

czyzny orbitalnej pozosta¸ych planet [ ilu-

stracja z lewej ]. Przez niemal 20 lat swe-

go 248-letniego okresu orbitalnego to

Pluton bywa bliýej S¸oÄca niý Neptun.

Odkd w 1930 roku odkryto Plutona,

sprawa planet stawa¸a si« coraz bardziej

tajemnicza. Astronomowie zauwaýyli,

ýe wi«kszoæ orbit przecinajcych orbit«

Neptuna jest niestabilna Ð cia¸o znajdu-

jce si« na nich albo zderzy si« z Neptu-

nem, albo w stosunkowo krtkim cza-

sie, zazwyczaj poniýej 1% wieku Uk¸adu

S¸onecznego, zostanie wyrzucone poza

jego granice. Lecz ta szczeglna, przeci-

najca tor Neptuna orbita, po ktrej w«-

druje Pluton, jest chroniona przed zbyt

bliskimi przejæciami w pobliýu gazowe-

go olbrzyma dzi«ki zjawisku zwanemu

libracj rezonansow. W czasie gdy Plu-

ton dwukrotnie okrýy S¸oÄce, Neptun

obiegnie je trzykrotnie; mwi si«, ýe or-

bita Plutona jest w rezonansie 3:2 z

orbit Neptuna. Wzgl«dne ruchy tych

dwch planet gwarantuj, ýe gdy Plu-

ton przecina orbit« Neptuna, ten znaj-

duje si« bardzo daleko. Rzeczywiæcie,

odleg¸oæ Plutona od Neptuna nigdy nie

spada poniýej 17 j.a.

W dodatku peryhelium Plutona Ð

miejsce jego najwi«kszego zbliýenia do

S¸oÄca Ð znajduje si« zawsze wysoko po-

nad p¸aszczyzn orbity Neptuna, utrzy-

mujc w ten sposb d¸ugoterminow

stabilnoæ orbity. Z komputerowych

symulacji ruchw orbitalnych planet ze-

wn«trznych, uwzgl«dniajcych kon-

sekwencje ich wzajemnych zaburzeÄ,

wynika, ýe wzajemny zwizek orbit Plu-

tona i Neptuna istnieje od miliardw lat

i utrzyma si« jeszcze drugie tyle. Pluton,

wpltany w ten wytworny kosmiczny

taniec z Neptunem, przez ca¸y ýywot

Uk¸adu S¸onecznego unika kolizji z ga-

zowym olbrzymem.

W jaki sposb Pluton dosta¸ si« na t«

szczegln orbit«? Prbujc odpowie-

dzie na to pytanie, naukowcy niejedno-

krotnie w przesz¸oæci konstruowali na-

pr«dce rýne spekulatywne wyjaænienia,

uwzgl«dniajce zazwyczaj spotkania pla-

net. Jednakýe ostatnio dokonano istotne-

go post«pu w zrozumieniu z¸oýonej dy-

namiki rezonansw orbitalnych i usta-

leniu ich podwjnej roli, zarwno w po-

wodowaniu chaosu, jak i tworzeniu wy-

jtkowej stabilnoæci w Uk¸adzie S¸o-

necznym. Opierajc si« na tych doniesie-

PLUTON

åREDNIA ODLEGüOå OD SüOÁCA

(jednostki astronomiczne)

W¢DRîWKA PLANET Uk¸adu S¸onecznego z okresu, gdy si« one formowa¸y (z le-

wej u gry) i obecnie (z lewej u do¸u) . Przypuszcza si«, ýe orbita Jowisza skurczy¸a

si« nieznacznie, podczas gdy orbity Saturna, Urana i Neptuna si« poszerzy¸y. (Ob-

szaru planet wewn«trznych ten proces nie dotkn¸ w znaczcym stopniu.) Zgodnie

z t teori Pluton pozostawa¸ pocztkowo na orbicie ko¸owej. Gdy Neptun w«dro-

wa¸ na zewntrz, przesun¸ Plutona na orbit« rezonansow 3:2, na ktrej okres obie-

gu pozostawa¸ w takim w¸aænie stosunku do okresu Neptuna (powyýej). Oddzia¸y-

wanie grawitacyjne ze strony Neptuna zmusi¸o Plutona do przejæcia na bardziej

wyd¸uýon orbit« nachylon do p¸aszczyzny orbitalnej pozosta¸ych planet.

leg¸oæ. Rozk¸ad tych obiektw wykazuje

wyranie nieprzypadkowe cechy, kt-

rych nie da si« ¸atwo wyjaæni za pomo-

c obecnego modelu Uk¸adu S¸oneczne-

go. Z modeli teoretycznych rde¸ takich

osobliwoæci wynika interesujca ewen-

tualnoæ: w pasie Kuipera mog¸y zacho-

wa si« ælady historii orbitalnej gazowych

planet olbrzymw, a g¸wnie æwiadec-

twa powolnego poszerzania si« orbit

tych planet, b«dcego nast«pstwem ich

formowania si«.

Co wi«cej, ostatnie odkrycia kilku

obiektw wielkoæci Jowisza, krýcych

po wyjtkowo ciasnych orbitach wok¸

podobnych do S¸oÄca gwiazd, zwrci¸y

takýe uwag« na spraw« ãmigracjiÓ pla-

net. Trudno wyt¸umaczy powstanie

tych domniemanych planet w tak nie-

wielkich odleg¸oæciach od swych rodzi-

cielskich gwiazd. W hipotezach o ich po-

chodzeniu przyjmuje si«, ýe wzrasta¸y

w bardziej dogodnych do tego strefach

Ð mniej wi«cej w odleg¸oæci Jowisza od

S¸oÄca Ð a nast«pnie przew«drowa¸y na

obecne pozycje.

Banita czy dowd rzeczowy?

Jeszcze kilka lat temu jedynym zna-

nym obiektem planetarnym za orbit

Neptuna by¸ Pluton ze swym ksi«ýycem

Charonem. W obowizujcych teoriach

powstania Uk¸adu S¸onecznego Pluton

zawsze by¸ odszczepieÄcem: jest tysice

razy mniej masywny od czterech ze-

wn«trznych gazowych planet olbrzy-

mw, a jego orbita rýni si« bardzo od

dobrze rozdzielonych, prawie ko¸owych

i po¸oýonych w jednej p¸aszczynie or-

å WIAT N AUKI Listopad 1999 37

0.5

Orbita obiektu z pasa Kuipera

Orbita Plutona

ORBITY W REZONANSIE Z ORBIT NEPTUNA

0.4

4:3

3:2

5:3

2:1

0.3

ORBITY BLISKIE

ORBICIE

NEPTUNA

0.2

0.1

PîüOå WIELKA ORBITY

(jednostki astronomiczne)

OBIEKTY Z PASA KUIPERA zajmuj poza orbit Neptuna obszar w kszta¸cie to-

roidalnym (z prawej) . Teoria migracji planet przewiduje koncentracj« tych obiek-

tw na orbitach pozostajcych z Neptunem w rezonansie (pomi«dzy niebieskimi

liniami na ilustracji powyýej) . Z ostatnich obserwacji wynika, ýe oko¸o jednej

trzeciej obiektw z pasa Kuipera, dla ktrych znane s elementy orbit (czerwone

kropki) , krýy po orbitach rezonansu 3:2 podobnych do orbity Plutona (zielony

krzyýyk) . Na orbitach bliskich Neptunowej nie naleýy spodziewa si« wielu obiek-

tw (obszar zacieniony) .

niach, w 1993 roku wysun«¸am hipote-

z«, ýe Pluton narodzi¸ si« gdzieæ za Nep-

tunem i pocztkowo porusza¸ si« po pra-

wie ko¸owej orbicie o ma¸ym nachyleniu,

podobnej do orbit innych planet, a do-

piero rezonansowe oddzia¸ywania gra-

witacyjne z Neptunem przekszta¸ci¸y j

w orbit« dzisiejsz. G¸wn cech cha-

rakterystyczn tej teorii jest fakt, iý nie

zak¸ada ona, ýe gazowe planety olbrzy-

my powsta¸y w obecnej odleg¸oæci od

S¸oÄca. Wr«cz przeciwnie, postuluje, ýe

w pocztkach Uk¸adu S¸onecznego ist-

nia¸a epoka, w ktrej orbity planet zmie-

nia¸y swoje po¸oýenie, a niezwyk¸a orbi-

ta Plutona by¸aby dowodem na tak

migracj«.

Historia zaczyna si« w momencie, gdy

proces formowania si« planet mia¸ si«

juý ku koÄcowi. Gazowe olbrzymy Ð Jo-

wisz, Saturn, Uran i Neptun Ð niemal

wykszta¸ci¸y si« z pras¸onecznej mg¸a-

wicy, lecz poærd nich uchowa¸a si« jesz-

cze resztkowa populacja niewielkich

planetozymali Ð skalistych i lodowych

cia¸, w wi«kszoæci o ærednicach poniýej

kilkudziesi«ciu kilometrw. Na nast«-

pujc potem powolniejsz ewolucj«

Uk¸adu S¸onecznego sk¸ada¸o si« roz-

praszanie bd zbieranie planetozyma-

li przez w¸aæciwe planety [ ilustracja na

stronie 34 ]. Poniewaý rozpraszanie przez

planety powodowa¸o wyrzucanie wi«k-

szoæci szcztkw planetozymali na odle-

g¸e lub nie zwizane orbity Ð w istocie

usuwajc te cia¸a poza Uk¸ad S¸oneczny

Ð prowadzi¸o to do utraty energii i

momentu p«du z orbit planet olbrzy-

mw. Lecz ze wzgl«du na rýnic« w ich

masach i odleg¸oæciach od S¸oÄca stra-

ty te nie rozk¸ada¸y si« pomi«dzy nie

rwnomiernie.

Rozwaýmy w szczeglnoæci ewolu-

cj« orbity najbardziej zewn«trznej z nich

Ð Neptuna, gdy rozprasza¸ rj planeto-

zymali ze swojego ssiedztwa. Po pier-

wsze, ærednia orbitalna energia w¸asna

planetozymali (energia orbitalna na jed-

nostk« masy) by¸a rwna tej, ktr mia¸

sam Neptun, tak wi«c na skutek oddzia-

¸ywaÄ grawitacyjnych z tymi cia¸ami

nie zyskiwa¸ on ani nie traci¸ energii.

W pniejszym czasie jednak z roju pla-

netozymali w okolicach Neptuna zosta-

¸y usuni«te obiekty o mniejszej energii,

wesz¸y one bowiem w zasi«g oddzia¸y-

waÄ grawitacyjnych innych planet ol-

brzymw. Wi«kszoæ tych planetozy-

mali w koÄcu wyrzuci¸ z Uk¸adu S¸o-

necznego Jowisz, najci«ýsza z planet.

Tak wi«c orbitalna energia w¸asna pla-

netozymali, ktre napotyka¸ Neptun, sta-

¸a si« z czasem wi«ksza niý ta, ktr sam

mia¸. Podczas kolejnych aktw rozpra-

szania Neptun uzyskiwa¸ energi« orbital-

n i w«drowa¸ na zewntrz. To samo

dzia¸o si« z Saturnem i Uranem. W prze-

ciwieÄstwie do nich Jowisz traci¸ ener-

gi« orbitaln. Strata ta rwnowaýy¸a

zysk innych planet i planetozymali, skut-

kiem czego ca¸kowita energia uk¸adu

by¸a zachowana. Lecz poniewaý Jowisz

ma wielk mas« i dysponowa¸ duýymi

pocztkowymi zasobami energii orbi-

talnej i momentu p«du, jego orbita

zmniejszy¸a si« tylko nieznacznie.

Moýliwoæ takiego subtelnego dopa-

sowania orbit planet olbrzymw po raz

pierwszy opisali w 1984 roku Julio A.

Fernandez i Wing-Huen Ip, dwjka

astronomw z Urugwaju i Tajwanu pra-

cujca w Instytucie Maxa Plancka w

Niemczech. Ich praca usz¸a jednak uwa-

gi specjalistw zajmujcych si« powsta-

waniem planet i doæ d¸ugo by¸a jedynie

ciekawostk. Moýe przyczyni¸ si« do te-

go brak potwierdzajcych obserwacji

lub teoretycznych skutkw.

Wielka w«drwka

W 1993 roku wysun«¸am hipotez«, ýe

gdy orbita Neptuna powoli si« posze-

rza¸a, orbity pozostajce z ni w rezo-

nansie takýe powinny ekspandowa.

Istotnie, Pluton przejmowa¸by te orbi-

ty rezonansowe, gdyby krýy¸ poczt-

kowo po prawie ko¸owej orbicie o nie-

wielkim nachyleniu, poza Neptunem.

Wyliczy¸am, ýe by¸o wysokie praw-

dopodobieÄstwo ãwy¸apaniaÓ dowol-

nego obiektu i wypchni«cia go na ze-

wntrz po orbicie rezonansowej w

trakcie w«drwki Neptuna. Podczas ru-

chu takich cia¸ na zewntrz rezonanso-

we grawitacyjne momenty si¸ ze strony

Neptuna powinny zwi«ksza sp¸aszcze-

nie i nachylenie ich orbit. (Zjawisko

38 å WIAT N AUKI Listopad 1999

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: