Selon l'hypothèse des grandes manœuvres, il était une fois Jupiter a traversé le système solaire, faisant des ravages avec sa gravité. Cette hypothèse n'est toujours pas pleinement acceptée par la communauté scientifique en raison de sa complexité, mais plus récemment, de nouvelles preuves sont apparues en sa faveur.
Les astronomes dirigés par René Heller de l'Université McMaster ont publié la pré-impression correspondante sur arXiv.org, et l'article lui-même a déjà été accepté pour publication dans Astronomy & Astrophysics. Pour mieux comprendre pourquoi les scientifiques ont besoin d'une telle hypothèse, plusieurs questions importantes doivent être abordées en premier.
Système inhabituel
Jusqu'à très récemment, la structure du système solaire ne soulevait aucune question: il n'y avait simplement rien à quoi le comparer. Certes, les modèles existants de formation de planètes à partir d'un nuage protoplanétaire ne donnent pas l'image observée par les astronomes dans la pratique, mais cela a été attribué à l'imperfection des modèles eux-mêmes. Les premières découvertes d'exoplanètes dans les années 90 du siècle dernier n'ont pas particulièrement affecté la situation: l'échantillon était petit, il y avait peu d'exoplanètes.
En 2009, le télescope Kepler a été lancé, dont l'objectif principal était précisément la recherche d'exoplanètes. En 2015, la NASA a enregistré plus de 4000 planètes candidates vues par le vaisseau spatial. Et après les mille premiers d'entre eux, il est devenu clair que notre système stellaire est très loin d'être typique.
Premièrement, nous avons quatre planètes de la taille de la Terre ou moins, et pas une seule super-terre - des corps avec un rayon de 1,25 à 2,00 fois la Terre. Dans le même temps, dans les systèmes stellaires examinés par nos télescopes, les super-terres, au contraire, sont une fois et demie plus grandes que les soi-disant «planètes de la taille de la Terre».
La plupart des 800 «planètes terrestres» (à gauche) ont en fait un rayon légèrement plus grand que notre planète, et le dépassent en masse de 1,5 à 17 fois; La Terre, Vénus, Mars et Mercure sont nettement plus légers que les planètes solides typiques d'autres systèmes
Vidéo promotionelle:
Les citations ici ne sont pas accidentelles: cette classe comprend tous les corps avec un rayon de moins de 1,25 Terre. Mais la plupart d'entre eux sont plus gros que notre planète et nettement plus lourds qu'elle (par exemple, Kepler-10c est 17 fois plus massif que la Terre). Il était entendu que le développement du système planétaire autour du Soleil allait d'une autre manière que dans les systèmes exoplanétaires avec des super-terres.
Deuxièmement, dans la plupart des systèmes actuellement connus, les géantes gazeuses sont beaucoup plus proches de l'étoile centrale que notre Jupiter et Saturne. Parfois encore plus proche de Mercure. Les géants ne pourraient pas surgir dans un tel endroit - le rayonnement d'une étoile empêcherait simplement les planètes de se former. Cela signifie, ont conclu les scientifiques, que les géants se forment loin de l'étoile, cependant, ils sont ensuite ralentis par la substance restante du disque protoplanétaire, se déplaçant vers des orbites plus proches.
Dans notre système, cependant, la décélération, s'il y en a eu, a eu des conséquences complètement différentes - les planètes géantes sont toujours situées assez loin du Soleil.
Il est temps de migrer
Et en 2010, le groupe de Kevin Walsh a avancé une hypothèse qui expliquait à la fois l'absence de super-terres dans le système solaire et l'éloignement relatif des géantes gazeuses par le même événement - la soi-disant hypothèse de Grand Tack.
Selon Walsh, lorsque le système solaire était âgé de 1 à 10 millions d'années et que les planètes terrestres ne s'étaient pas encore formées, Jupiter a migré d'une orbite de 3,5 unités astronomiques (environ 525 millions de kilomètres du Soleil, une unité astronomique est égale à la distance moyenne de la Terre au Soleil) dans une orbite de 1,5 unité astronomique, là où se trouve maintenant Mars. Là, la planète géante s'est arrêtée, probablement en raison de la gravité de Saturne, qui a migré après Jupiter dans une orbite à 2 unités astronomiques du Soleil. Le géant a alors commencé à reculer lentement jusqu'à ce qu'il revienne sur son orbite actuelle de 5 unités astronomiques.
S'il n'y avait pas la migration de Jupiter et Saturne, qui est emportée par elle, vers le Soleil et retour, la région intérieure du système solaire (ci-dessus) ressemblerait à ceci maintenant (ci-dessous).
L'hypothèse des grandes manœuvres a bien expliqué de nombreuses caractéristiques très inhabituelles du système solaire. Jupiter, au cours de son voyage vers le Soleil et retour, a dû dégager le lieu de formation des planètes terrestres de la masse «supplémentaire» de gaz et de poussière, les privant de la possibilité de devenir des super-terres. Dans le même temps, les endroits où Mars et la ceinture d'astéroïdes se sont formés ont été les plus affectés par la gravité de la planète géante, ce qui a conduit à leur masse anormalement petite (et c'est, du point de vue de l'évolution du système solaire, telle) masse.
Mais malgré tout l'attrait de l'hypothèse, elle semble plutôt compliquée, c'est pourquoi de nombreux astronomes doutent encore de son exactitude. Dans le nouveau travail, René Eller et ses co-auteurs ont décidé de tester l'effet que la Grande Manœuvre pourrait avoir sur les lunes de Jupiter. Leur idée est simple: il faut simuler le développement du système solaire avec et sans manoeuvre, puis comparer les résultats. Si la simulation avec manœuvre ressemble plus à la vérité, cela signifie que le nouveau travail sera une autre preuve de l'hypothèse. Si sans manœuvre, qu'il en soit ainsi, cela signifie que l'hypothèse d'un Jupiter en migration est trop exotique.
Les plus intéressants pour de telles simulations sont Ganymède et Callisto, deux grands satellites de Jupiter, moitié eau et moitié solide. Le fait est que si l'hypothèse de manœuvre est correcte, ces deux corps auraient dû se former avant la manoeuvre proprement dite: les objets avec une telle proportion de glace d'eau n'apparaissent pas dans des endroits plus proches d'une certaine distance du Soleil. Selon les calculs des auteurs, en tenant compte de l'influence du plus jeune Jupiter et de son disque circumplanétaire, Callisto et Ganymède ne pourraient pas surgir à moins de 4 unités astronomiques du Soleil.
Le titane (dans le coin inférieur gauche) n'est pas loin de la Lune en taille et en gravité, mais là où il s'est formé, il y avait plus d'éléments légers, donc un satellite relativement petit a une atmosphère d'azote quatre fois plus dense que la Terre.
Quel genre de traces le grand Tacking pourrait-il laisser sur les satellites? Tout est question d’atmosphère. Les auteurs du travail sont partis de l'hypothèse que l'atmosphère de la lune de Saturne Titan, et les désormais atmosphériques Jupiterian Callisto et Ganymède, étaient initialement similaires, ainsi que leurs masses et zones de formation.
Dans le même temps, les estimations des modèles existants indiquent que l'atmosphère de Titan, qui est quatre fois plus dense que celle de la Terre, peut être perdue par gravitation au plus tôt dans septillions d'années. Même si pour les satellites de Jupiter, ce chiffre est réduit plusieurs fois, une telle atmosphère ne pourrait tout simplement pas être perdue par eux pendant la durée de vie du système solaire. Par conséquent, les scientifiques ont suggéré que le réchauffement des satellites, causé par les forces de marée de gravité de la géante gazeuse, a joué un rôle clé dans la perte de l'atmosphère.
Dans le même temps, la modélisation sans virement de bord a montré que, malgré le puissant champ gravitationnel, Jupiter ne pouvait assurer le chauffage et la perte de l'enveloppe de gaz que dans les satellites proches de cette planète, comme Io et Europa. Mais Ganymède et Callisto seraient derrière la «ligne de neige» du disque primaire proche de Jupiter et n'auraient pas pu perdre l'atmosphère à cause du chauffage.
Apparemment, Callisto est riche en éléments légers (comme Titan), et a même un océan sous la glace, mais il n'a pas une atmosphère significative.
Lorsque les auteurs de l'ouvrage ont introduit dans leur modélisation les effets de la Grande Manœuvre, "plaçant" Jupiter avec son disque à 1,5 UA. du Soleil, où il recevrait environ dix fois plus de rayonnement solaire, la situation a changé.
Selon les données modernes, le Soleil, au cours du premier million d'années de sa vie, a émis de 100 à 10 000 fois plus de rayons X et de rayons ultraviolets qu'il n'en émet actuellement. Un corps avec une atmosphère d'azote, comme la Terre actuelle ou le Titan, dans de telles conditions a inévitablement perdu son enveloppe gazeuse. Le fait est que l'énergie des photons d'un tel rayonnement est beaucoup plus élevée que celle de la lumière visible et, les ayant absorbées, les particules d'azote ont dû rapidement gagner en vitesse de plusieurs kilomètres par seconde et quitter l'atmosphère. Selon les calculs des auteurs, dans de telles conditions, l'atmosphère azotée primaire de la Terre serait perdue en quelques millions d'années seulement. Et des corps comme Ganymède et Callisto sur une orbite de 1,5 UA. auraient dû perdre leur atmosphère encore plus vite.
Cette conclusion distingue favorablement le modèle des grandes manœuvres de l'hypothèse que les orbites planétaires restent inchangées. Dans le cadre de ce dernier, il est très difficile d'imaginer comment exactement les satellites de Jupiter pourraient perdre leur atmosphère sans perdre de glace d'eau en cours de route.
Titan a sa propre atmosphère
Pour expliquer pourquoi, dans ces conditions, Titan n'a pas perdu son atmosphère, avec Saturne en 2 UA. du Soleil, les auteurs se sont inspirés des données de la modélisation du disque circumplanétaire primaire de Saturne. Selon lui, Titan en tant que satellite ne pouvait pas se former avant la Grande Manœuvre. Les planètes du Soleil, tout comme nous le voyons dans les systèmes exoplanétaires, se sont formées à des rythmes différents, et lorsque la plus massive (Jupiter) avait déjà terminé ce processus, Saturne n'avait pas encore «gagné» environ 10% de sa masse. Cela signifie qu'au moment de la Grande Manœuvre, il absorbait toujours activement la matière de son disque circumplanétaire. Dans de telles conditions, Titan, s'il existait à ce moment-là, tomberait sûrement sur Saturne. Par conséquent, conclut Eller, en réalité, Titan n'aurait pu se former que quelques centaines de milliers d'années après la fin des manœuvres.
Comment la Terre avait-elle une atmosphère d'azote dans de telles conditions? Les auteurs soulignent que, selon un certain nombre d'autres travaux, dans l'atmosphère primaire de la Terre avec sa gravité importante, il y avait beaucoup de dioxyde de carbone, qui interagit avec les photons énergétiques d'une manière complètement différente, et après les avoir absorbés, il pourrait effectivement réémettre l'énergie reçue dans l'espace, refroidissant les couches supérieures de l'atmosphère de la Terre d'alors. …
Les astronomes arrivent à la conclusion que dans la configuration actuelle du système solaire, il est presque impossible de proposer un autre scénario, dans lequel certains satellites des planètes géantes ont une atmosphère quatre fois plus dense que la Terre, tandis que d'autres ne l'ont pas du tout. Mais dans le cadre de l'hypothèse des grandes manœuvres, l'apparition actuelle des lunes de Jupiter et de Saturne peut être expliquée avec beaucoup plus de succès que si nous supposons que ces deux planètes n'ont jamais migré vers le Soleil et retour.
Et en même temps, l'hypothèse présente de nombreux problèmes non résolus. La clé est toujours qu'il est extrêmement difficile de le vérifier complètement. Trop de choses ont changé dans notre système au cours des 4,5 milliards d'années passées et de nombreux facteurs importants qui ont influencé la première période de son histoire ne peuvent être restaurés qu'indirectement. Il ne s'agit pas seulement de la vitesse des processus de migration, qui dépendait fortement de la densité pas entièrement claire de l'ancien nuage protoplanétaire circumsolaire. Un certain nombre de modèles nous obligent à supposer que pendant les migrations de cette époque, les géantes gazeuses, par interaction gravitationnelle, auraient pu éjecter une ou deux grandes planètes du système solaire, et dans ce cas, les corps que nous observons peuvent ne pas donner des informations complètement exhaustives sur les événements du passé. Pour une confirmation plus complète de l'hypothèse, des données d'observation plus complètes sont nécessaires pour les mêmes Ganymède et Callisto, que le groupe d'Eller espère recevoir du vaisseau spatial européen JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), qui doit se rendre sur les lunes de Jupiter en 2022-2030.
Boris Alexandrov