8 Minutės
Įvadas
Įsivaizduokite Saturną ne kaip statišką nakties dangaus brangakmenį, o kaip senovinę katastrofą: mėnuliai susmulkyti, nuolaužos išmestos, didžiulis žiedų sistema susiformavusi. Tai — stulbinantis vaizdas, kylantis iš naujų kompiuterinių simuliacijų ir kruopštaus dešimtmečių kosminių aparatų duomenų peržiūros. Žiedai, kuriuos šiandien nuostabiai matome, galėjo būti gaivos žaizdos po susidūrimo, įvykusio maždaug prieš 100 milijonų metų — tuo metu, kai Žemėje dar klajojo dinozaurai.
Saturno sistema yra įspūdinga: ikoniški ledo žiedai ir mažiausiai 274 žinomi mėnuliai. Visgi keletas mįslių ilgai kankino planetos mokslininkus. Kodėl Saturno žiedai atrodo tokie jauni? Kodėl Titanas, planetos didžiausias palydovas, turi kiek keistą, ekscentrišką orbitą ir rodo mažiau smūginių kraterių nei tikėtasi, atsižvelgiant į jo dydį ir amžių? Naujas tyrimas iš SETI instituto mokslininkų, priimtas Planetary Science Journal, siūlo vieną, smurtinį įvykį, galintį iš karto atsakyti į abi šias mįsles.
Šio darbo vyriausias autorius Matija Ćuk sako, kad kertinė užuomina kilo iš keisto mažo mėnulio, vadinamo Hyperionu (Hyperionas). Hyperiono chaotiškas sukimasis ir orbita daro jį ypatingai jautrų trikdžiams. Daugelio simuliuotų istorijų metu, kuriose egzistavo papildomas nestabilus mėnulis, Hyperionas būtų sunaikintas, jei nebūtų buvusi konkreti įvykių grandinė. Tai paskatino tyrėjus išbandyti sudėtingesnį scenarijų: vietoj vieno dingusio mėnulio – du pradiniai palydovai, proto-Titanas ir mažesnis proto-Hyperionas, susidūrė ir susijungė.
Susidūrimas, žiedai ir Titano keistenybės
Simuliacijos atskleidžia pasekmes ryškiais bruožais. Aukštos energijos proto-Titano ir proto-Hyperiono susiliejimas galėjo sukurti dabartinį Titaną ir kartu suteikti jo orbitai reikšmingą ekscentriškumą. Tuo pačiu metu naujai sutrikdyta Titano orbita gravitiškai išbalansavo mažesnių, vidaus esančių mėnulių trajektorijas. Šie mėnuliai buvo išmesti į susidūrimus, destruktyvias trajektorijas, smulkinosi į gabalus ir susidarė per tūkstančius — ar net milijonus — metų žiedai, kuriuos dabar matome.
Jei šis modelis teisingas, vienas kosminis susiliejimas paaiškina tiek Titano neįprastą orbitą, tiek Saturno žiedų jaunystę. Ši glausta sąsaja leidžia daugeliui planetų tyrėjų rimtai vertinti rezultatą: ji sujungia dinaminį modeliavimą su pastebimaisiais duomenimis.
Simuliacijų metodika ir Hyperiono reikšmė
Norint suprasti, kodėl toks scenarijus galimas, svarbu pažvelgti į naudojamą metodiką ir į tai, kodėl Hyperionas tapo kertiniu elementu. Modernios kompiuterinės dinamikos simuliacijos leidžia tyrėjams modeliuoti milijonų ar net šimtų milijonų metų evoliuciją sprendžiant Niutono arba pažangesnės gravitacijos lygtis. Tokios simuliacijos įtraukia daug parametrų: pradines mases, orbitalines savybes, energijos nuostolius susidūrimų metu, smūgių mechanikas ir net trintį dėl žiedo medžiagos sąveikos.
Hyperionas, dėl savo nereguliaraus dydžio ir chaotiškos sukimosi dinamikos, elgiasi kaip „matavimo instrumentas“ sistemos istorijai. Jei ankstyvosios sistemos evolucijos metu būtų buvusių papildomų nestabilių palydovų, Hyperionas rodo, ar šie scenarijai prieštarauja jo išlikimui. Daugelis vieno prarasto mėnulio modelių privedė prie to, kad Hyperionas būtinai būtų sunaikintas arba stipriai pakeistų orbitą, kuri neatitiktų dabartinių stebėjimų. Tai paskatino komandą apsvarstyti alternatyvą: dviejų palydovų susiliejimą, o ne vieno prarasto išmetimą iš sistemos.
Simuliacijų ribotumai ir patikimumas
Visuomet reikia atkreipti dėmesį į simuliacijų ribotumus. Nors skaitmeniniai modeliai gali atkurti bendras tendencijas, jie turi apribojimų: pradiniai sąlygos dažnai neaiškios, sudėtingi susidūrimų mechanizmai (pvz., fragmentacija, akrecijos efektyvumas, fragmentų dydžių pasiskirstymas) modeliuojami supaprastintai, o ilgi evoliuciniai laikotarpiai reikalauja remtis tam tikromis prielaidomis. Nepaisant to, kai simuliacijos sutampa su stebimaisiais duomenimis (pvz., žiedų masėmis, struktūra ir mėnulių orbitomis), pasitikėjimas scenarijumi auga.
Cassini ir ankstesni misijų duomenys
Cassini 13 metų tyrinėjimas Saturno sistemos iš esmės pakeitė mūsų supratimą. Pioneer 11 ir Voyager misijos pateikė pirmuosius artimus vaizdus, bet Cassini detalių gravitacijos matavimai, aukštos raiškos vaizdai ir cheminės sudėties duomenys griauna senesnes prielaidas ir atskleidžia žiedų smulkias struktūras bei netikėtą masę. Ypatingai svarbu, kad Cassini parodė, jog žiedai yra tiek struktūriškai sudėtingi, tiek – regis – masyvesni nei anksčiau manyta, o tai turi implikacijų dėl jų amžiaus.
Jei žiedai būtų susiformavę labai seniai (pvz., kartu su planetos formavimu), mes tikėtume daug didesnio erozijos ir „išsisklaidymo“ laipsnio. Tačiau pastebėtas žiedų albedo, grūdėtumas ir masė geriau dera su palyginti jaunais žiedais — galimai susiformavusiais per pastaruosius keliasdešimt ar šimtą milijonų metų.
Žiedų struktūra ir masė
Žiedų mikrostruktūra, matoma Cassini vaizduose (pvz., bangavimai, spiralės, smulkūs bridžai tarp žiedų), atspindi dinaminį ir aktyvų procesą. Toks elgesys yra suderinamas su idėja, kad didelė dalis žiedų medžiagos susidarė iš neseniai sudaužytų palydovų fragmentų, o ne ilgainiui susikaupusio dulkių sluoksnio per milijardus metų. Žiedo masės įvertinimai leidžia nustatyti, ar pakanka medžiagos susidaryti iš vieno didesnio palydovo ar reikėjo kelių vidutinio dydžio objektų. Šiuose įverčiuose scenarijus su kelių palydovų fragmentacija dažnai atrodo realistiškesnis.
Dragonfly misija ir geocheminiai testai
Tvirtas bandymas šiai hipotezei gali ateiti su NASA Dragonfly misija, kuri numatyta pasiekti Titaną apie 2030-ųjų vidurį. Dragonfly yra rotorinė nusileidimo platforma, sukurta mėginti paviršiaus medžiagas įvairiose Titano vietose ir tirti šio mėnulio cheminę istoriją. Matuodama izotopinius santykius ir paviršiaus sudėtį, Dragonfly galėtų patikrinti susiliejimo kilmės prognozes — pavyzdžiui, ar Titanas turi geocheminių požymių, atitinkančių formavimąsi smurtiniame susidūrime, o ne lėtame akrecijos procese.
Specifiškai, susidūrimo scenarijus gali palikti izotopinius ir mineraloginius pėdsakus: smūginio kaitimo produktus, neįprastus frakcijavimo modelius arba nevienodą elementų pasiskirstymą tarp šerdies ir plutos. Dragonfly gebėjimas atlikti vietinius cheminius tyrimus ir rinkti mėginius — net jei grąžinimo į Žemę misija nėra numatyta — suteiks svarbių duomenų, leidžiančių patikrinti ar atmesti šią idėją.
Konkrečios prognozės, kurias gali patikrinti Dragonfly
- Izotopinių santykių anomalijos, rodančios greitą šiluminį apdorojimą.
- Paviršiaus mineralogija, kuri atitinka smūginį metamorfizmą ar fragmentaciją.
- Organinių bei volatilių komponentų pasiskirstymas, kuris gali skirtis priklausomai nuo susidūrimo scenarijaus.
Pasekmės planetų sistemos evoliucijai
Jei žiedai gali susidaryti iš mėnulių susidūrimų palyginti neseniai Saulės sistemos istorijoje, tai reiškia, kad žiedų sistemos yra daug trumpalaikes ir dinamiškesnes, nei manyta anksčiau. Planetų sistemos nėra muziejiniai eksponatai; jos evoliucionuoja ir kartais keičiasi dramatiškai per trumpą geologinį laiką. Tokio supratimo pasikeitimas turi kelias svarbias pasekmes:
- Žiedų amžiaus interpretacijos turi būti atidžiai susietos su galimais chaotiškais įvykiais sistemos istorijoje.
- Palydovų populiacijos dinamika (pvz., kaip dažnai susiduria mažesni palydovai) tampa kertiniu klausimu, aiškinant žiedų susiformavimo dažnumą.
- Tokie procesai gali būti bendresni ir kitose planetų sistemose, todėl aiškinant egzoplanetų žiedų ir palydovų duomenis turime įtraukti trumpalaikes ir smurtines evoliucijas galimybes.
Impulsyvūs įvykiai ir egzoplanetų tyrimai
Egzoplanetų sistemose pastebimi žiedai ar palydovų neįprastos savybės gali būti interpretuojami kaip rezultatų eilės, įskaitant nesenas susidūrimų bangas. Tai reiškia, kad astronomai, analizuojantys žiedų signalus už Saulės sistemos ribų, turėtų apsvarstyti tiek seniai stabilias, tiek nesenas chaotiškas kilmes. Tokiu būdu Saturno sistema tampa modeliu, padedančiu interpretuoti tolimesnius stebėjimus ir formuluoti hipotezes apie kitų sistemų evoliuciją.
Kaip bus tikrinama hipotezė ir kokie tolesni žingsniai
Atsakymai ateis palaipsniui. Simuliacijos gali būti tobulinamos įtraukiant sudėtingesnius susidūrimų fizikinius modelius, platesnį pradinį parametrų spektrą ir ilgalaikį fragmentų evoliucijos modeliavimą. Tuo pačiu metu tolesnės analizės Cassini duomenyse gali išryškinti papildomas žiedų masės ir struktūros detales, kurios arba palaikys, arba paneigs skirtingus scenarijus.
Kiti stebėjimai iš žemės ar kosminių teleskopų, skirti Saturnui ir jo žiedams stebėti per skirtingas bangos dažnių juostas, padės patikslinti žiedų sudėtį ir atskirti ledo bei silikatų dalis. Jei žiedų medžiagoje bus aptikta daugiau silikatų ar smūginio kilmės medžiagų nei tikėtasi nuo pašvaistes akrecijos, tai tvirtai pasvertų link mėnulių susidūrimo hipotezės.
Laboratoriniai tyrimai ir meteoritinė analogija
Laboratoriniai eksperimentai, atkuriantys susidūrimų sąlygas ir šiluminį apdorojimą, taip pat yra vertingi. Meteorituose ir kitose Saulės sistemos uolienose ieškant smūginio metamorfizmo pėdsakų, mokslininkai gali palyginti šiuos požymius su prognozuojamais Titanui arba žiedams. Tokie kryžminiai metodai — simuliacijos, in situ matavimai, laboratorinė analizė ir astronominiai stebėjimai — kartu sudaro stipriausią kelią į hipotezės patikrinimą.
Išvados
Atsakymai ateis lėtai, gabalas po gabalo. Kol kas prarasto mėnulio susidūrimo idėja, davusi pradžią Saturno jauniems žiedams ir pakeitusi Titano likimą, yra gyvas priminimas, kad net gerai pažįstamos planetos gali slėpti netikėtą, smurtinę praeitį. Saturno žiedai — ne tik grožio atributas — bet ir istorijos puslapis, įrašytas lede ir uoloje. Tyrėjų pastangos, apjungiančios dinamiką, geochemiją ir stebėjimus, suteikia realią galimybę atskleisti šią istoriją per ateinančius dešimtmečius.
Šis modelis taip pat atveria platesnį požiūrį į planetų mokslą: žiedų formavimas gali būti dažnesnis ir įvykti per trumpesnius laiko tarpsnius, nei manyta. Tyrimai, tokie kaip CASINI analizė, naujos simuliacijos ir misijos kaip Dragonfly, yra kertinės priemonės šiai idėjai patikrinti. Galiausiai, aiškesnis supratimas apie Saturno žiedų kilmę padės geriau interpretuoti ir eksoplanetų stebėjimus — ir galbūt atrasti, kad dinamiškos, smurtinės transformacijos yra kosminiškai įprastas reiškinys.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą