U ovoj eri otkrića egzoplaneta, astronomi su pronašli preko 5.000 potvrđenih egzoplaneta, sa hiljadama drugih koje čekaju potvrdu i još mnogo milijardi koje čekaju da budu otkrivene. Ove egzoplanete postoje u zbunjujućem spektru veličina, sastava, orbitalnih perioda i skoro svih drugih karakteristika koje se mogu izmeriti.
Učenje o njima je takođe bacilo svetlo na naš solarni sistem. Nekada smo o tome razmišljali kao o arhetipskom rasporedu planeta jer je to sve što smo morali da nastavimo. Ali sada znamo da bismo mogli biti izvan sebe jer nemamo super-Zemlju.
Super-Zemlje su klasa planeta koja je uobičajena oko drugih zvezda. Oni su definisani samo masom, između dve do 10 zemaljskih masa. Iako su ih lovci na planete pronašli preko 1500, naš solarni sistem ga nema. Pošto našem solarnom sistemu nedostaje jedan od ovih reprezentativnih tipova, planetarnim naučnicima je teško da razumeju super-Zemlje u drugim sistemima.
Arhitektura našeg solarnog sistema je prilično drugačija od onoga što astronomi vide i oko drugih zvezda. Sistemi poput Keplera-11 imaju više planeta u kompaktnim sistemima na dugoročno stabilnim orbitama mnogo bliže zvezdi. Interakcije između ovako zbijenih planeta trebalo bi da doprinesu orbitalnoj nestabilnosti, ali planete Kepler-11 imaju potencijal da budu stabilne milijardama godina. Najmanja planeta u sistemu, Kepler-11 f, i dalje je 2,5 puta masivnija od Zemlje.
Drugi sistemi poput HD 20782 imaju planete sa ekstremnim orbitalnim ekscentricitetima. HD 20782 b ima jednu od najekscentričnijih poznatih orbita. Njegov ekscentricitet je 0,97, izuzetno visok pošto je ekscentricitet od 1,00 orbita za bekstvo. (Poređenja radi, ekscentricitet Zemlje je 0,016, gde je 0 kružna orbita.) Kao rezultat toga, HD 20782 b doživljava divlje temperaturne promene dok putuje od unutrašnjeg solarnog sistema do spoljašnjeg sistema na svojoj 585-dnevnoj orbiti.
Jedan iskusni planetarni istraživač je želeo da zna šta bi se desilo da naš solarni sistem zaista ima super-Zemlju. Kako bi to promenilo naš solarni sistem? Da li bi super-Zemlja naš solarni sistem više uskladila sa nekim drugim sistemima koje vidimo na Mlečnom putu? Da li bi naš solarni sistem uopšte bio prepoznatljiv?
Da bi to saznao, stvorio je simuliranu super-Zemlju u simulaciji našeg Sunčevog sistema.
Njegovo ime je Stephen Kane, i on je profesor planetarne astrofizike na Univerzitetu Kalifornije. Rad je „Dinamičke posledice super-Zemlje u Sunčevom sistemu“, a Kejn je jedini autor. Rad još nije recenziran.
U svom radu, Kejn ukazuje na planetarni jaz u veličini/masi našeg Sunčevog sistema i šta to znači za istraživače. Bez super-Zemlje, koja se uklapa između Zemlje i Neptunove mase, teško je postaviti naš sistem u kontekst. Teško je modelirati kako se ove planete formiraju i kakav bi njihov sastav mogao biti.
Može postojati više razloga zašto naš sistem nema super-Zemlju. Rana migracija Jupitera i Saturna je možda odigrala ulogu tako što je progutala masu koja je mogla da se nakupi na Zemlju ili Mars i pretvorila ih u super-Zemlje.
Bez naše sopstvene super-Zemlje koju treba proučavati, istraživači imaju mnogo pitanja. „Čak i tako“, piše Kejn, „korisno je istražiti dinamičke posledice dodatne planetarne mase unutar Sunčevog sistema kako bi se ograničile trenutne teorije formiranja i proučile implikacije na opšte arhitekture planetarnog sistema.“
Detaljni kompjuterski modeli i simulacije su važan deo astronomije i postaju sve detaljniji i moćniji kako vreme odmiče. Istraživači variraju unose da bi videli kako se stvari poput solarnih sistema i planeta formiraju i ponašaju u različitim uslovima. U ovom radu, Kejn je postavio super-Zemlju u naš solarni sistem da vidi šta će se dogoditi.
„U ovom radu pružamo rezultate dinamičke studije koja postavlja dodatnu zemaljsku planetu u raspon masa od 1 do 10 Zemljinih masa i raspon velike ose 2–4 AJ u okviru trenutne arhitekture Sunčevog sistema“, piše Kejn.
Kejn je dodao planete sa masama između 1 i 10 Zemljinih masa u koracima od 1 Zemljine mase. On je postavio planetu na različite početne pozicije u kružnim orbitama. Orbite su bile koplanarne sa Zemljinim, a velika poluosa se kretala od 2 do 4 astronomske jedinice (AJ) u koracima od 0,01 AJ.
„Ovo je rezultiralo sa nekoliko hiljada simulacija, gde je svakoj simulaciji bilo dozvoljeno da radi 107 godina, počevši od sadašnje epohe, a izlaz orbitalne konfiguracije svakih 100 godina simulacije“, objašnjava Kejn.
Simulacije su pokazale da su unutrašnje planete bile podložnije nestabilnosti usled dodavanja Super-Zemlje nego spoljašnje planete. „Široki region od 2–4 AJ sadrži mnoge lokacije MMR (srednja rezonanca kretanja) sa unutrašnjim planetama koje dodatno pojačavaju haotičnu evoluciju unutrašnjeg Sunčevog sistema“, navodi se u radu.
„Haotična evolucija“ je potcenjivanje. Dodavanje super-Zemlje menja odnose između planeta i menja celokupnu arhitekturu unutrašnjeg Sunčevog sistema. „Za ovaj primer, orbite sve četiri unutrašnje planete postaju dovoljno nestabilne tako da se uklanjaju iz sistema pre završetka 107-godišnje simulacije.“
Jadni Mars je prošao samo polovinu simulacije pre nego što je izbačen. Merkur je prošao samo jednu trećinu puta kroz simulaciju pre interakcije sa Venerom i Zemljom, a njihov sve veći ekscentricitet, preneo je ugaoni moment u Merkurovu orbitu, oteravši ga.
U drugom izvođenju simulacije, Kejn je postavio super-Zemlju sa osam Zemljinih masa na udaljenosti od 3,7 AJ. To je dovelo do neznatnih početnih povećanja ekscentriciteta Zemlje i Venere, što je zatim, u kombinaciji sa Jupiterovim uticajem, toliko poremetilo Merkurovu orbitu da je ponovo brzo izbačen. Katastrofalno uklanjanje Merkura je tada promenilo Zemlju i Veneru ubrizgavanjem ugaonog momenta u njihove orbite. „Ovo rezultira značajnom periodičnom evolucijom njihovih orbita, sa visokim i niskofrekventnim varijacijama u njihovim ekscentricitetima“, piše Kejn.
Marsova orbita je relativno nepromenjena u ovom scenariju, iako njegov ekscentricitet „podleže visokim „frekventnim oscilacijama zbog interakcije sa spoljnim planetama“.
Spoljni solarni sistem se takođe promenio, mada ne tako ozbiljno. Kada je simulacija postavila planetu sa sedam Zemljinih masa na 3,79 AJ, u početku se nije mnogo dogodilo. Ali na kraju dolazi do dramatične promene. Orbita super-Zemlje se menja, a njena velika poluosa dostiže čak 30 AJ. Posle oko 4 miliona godina, super-Zemlja je izbačena iz sistema. Njegovo izbacivanje prenosi ugaoni moment, a to ima „značajan uticaj na ekscentricitet Saturna, Urana i Neptuna“, objašnjava Kejn.
U drugoj simulaciji, ubrizgana super-Zemlja je takođe imala sedam Zemljinih masa, a AU se samo neznatno promenila, sa 3,79 na 3,8. Super-Zemlja je ponovo izbačena, a Jupiter i Saturn su iskusili povećani ekscentricitet. Mala promena je izazvala i gubitak Urana.
Kejn je izveo nekoliko hiljada pokreta simulacije i u zavisnosti od parametara, neke od unutrašnjih planeta su izbačene, kao i implantirana super-Zemlja. U drugim arhitekturama, ledeni divovi su takođe bili izbačeni. Ali izbacivanje je samo jedan ishod, iako najekstremniji.
Simulacije su pokazale da prisustvo super-Zemlje može učiniti orbite drugih planeta ekscentričnijim. To može da izazove pustoš u klimi planete, jer se temperatura divlje koleba u zavisnosti od toga gde se planeta nalazi u svojoj ekscentričnoj orbiti. „Ove interakcije rezultiraju oscilacijom velike amplitude ekscentriciteta orbite Venere i Zemlje, stvarajući Milankovičeve cikluse koji potencijalno mogu uticati na dugoročnu klimu ovih planeta“, zaključuje Kejn.
Postoji mnogo super-Zemlja napolju, i otvoreno je pitanje koliko snažno njihovo prisustvo utiče na nastanjivost u drugim sistemima. Ako je ova studija indikacija, to je pitanje koje treba ispitati. „Zavisnost planetarne klime od orbitalnih interakcija sa super-Zemljama će zahtevati dalje atmosferske podatke i modeliranje kako bi se utvrdilo da li prisustvo takvih planeta (ili nedostatak istih) može prvenstveno dovesti do klimatskih efekata vođenih ekscentricitetom“, objašnjava autor.
U prethodnim decenijama, astronomi su koristili arhitekturu našeg solarnog sistema da bi razvili modele formiranja i arhitekture solarnog sistema. Ali sada znamo da naš solarni sistem nije reprezentativan za ono što je tamo, posebno kada su u pitanju super-Zemlje. Razlika može proizaći iz načina na koji su džinovske planete migrirale. „Konkretno, ovi događaji migracije džinovskih planeta možda su uticali na procese formiranja zemaljskih planeta u unutrašnjem Sunčevom sistemu i skratili formiranje do sada najčešće otkrivenog tipa planeta: super-Zemlje“, navodi se u radu.
Hipoteza velikog prianjanja pokazuje kako se Jupiter formirao na 3,5 AJ, migrirao unutra do 1,5 AJ, a zatim nazad na 5,2 AJ. Kralj planeta koji se tako kreće kroz Sunčev sistem uticao bi na sve oko njega. Moglo je da stvori kaskadu sudara između objekata u unutrašnjem Sunčevom sistemu, odbacujući materijal u sunce koji je mogao da formira super-Zemlju. Neki istraživači misle da je naš sistem u dalekoj prošlosti imao super-Zemlju koja je nestala na suncu.
Kejn naziva naš nedostatak super-Zemlje mačem sa dve oštrice. S jedne strane, nemamo priliku da proučavamo super-Zemlju tako bliže kao što možemo da proučavamo zemaljske planete, gasne divove ili ledene divove. Ali prisustvo super-Zemlje moglo je potpuno promeniti Sunčev sistem i potencijalno je moglo biti katastrofalno za život.
„Naši rezultati otkrivaju dinamičku krhkost naše postojeće planetarne konfiguracije, omogućavajući detaljnije ispitivanje ove konfiguracije u širem kontekstu arhitektura planetarnog sistema“, piše Kejn. Primarna svrha rada je da omogući poređenja između našeg sopstvenog „čudnog“ sistema i mnoštva solarnih sistema koji sadrže super Zemlju.
„Proučavanje orbita sa ovim sistemima, kako sa individualne tako i sa statističke tačke gledišta, pokazaće prave posledice deljenja dinamičkog prostora sa planetom super-Zemlja“, zaključuje on.
