Historia Układu Słonecznego to dość zagadkowa układanka. Jedno jest pewne: Na początku był chaos

Okruch pyłu, który oderwał się z ogona komety 350 mln km stąd, w końcu wylądował pod mikroskopem elektronowym. Powiększenie rośnie, drobina wypełnia ekran. Dave Joswiak pokazuje fragment, który przypomina wyszczerbiony klif, i podkręca powiększenie do 900 tys. razy. Ukazują się nam malutkie kruczoczarne ziarna. – Niektóre mają ledwie kilka nanometrów – mówi Joswiak. – Sądzimy, że to próbka pierwotnego materiału, z którego powstał cały Układ Słoneczny. Meteoryt - Dawno temu gdzieś między Marsem a Jowiszem zderzyły się dwie planetoidy. Ten 900-gramowy meteoryt jest pewnie odłamkiem większej z nich, zwanej Vestą. Grawitacja Jowisza później ściągnęła go na Ziemię, w śniegi Antarktyki. (Fot. Mark Thiessen)
 
Drobina pyłu ma nawet imię, Inti, jak bóg słońca Inków. Prawdopodobnie ostatnie 4,5 mld lat spędziła mocno zmrożona wewnątrz komety Wild 2 poza Neptunem. Dziesiątki lat temu Wild 2 z nieznanych powodów wpadła na orbitę, która wysłała ją bliżej Słońca, a kometa zaczęła się rozpadać w jego cieple. Jej fragmenty wciągnęła przelatująca obok Wild 2 w styczniu 2004 r. sonda NASA Stardust. Tysiące drobin pyłu złapała w pułapkę z aerożelu – piankowej substancji wyglądem przypominającej zmrożony dym. Dwa lata później kapsuła z tym delikatnym ładunkiem wylądowała na pustyni Utah. Badacze z zespołu Stardust wydobyli drobiny z żelu i ułożyli je pod mikroskopami elektronowymi. To, co zobaczyli, zrobiło na nich ogromne wrażenie. Naukowcy od dawna wiedzieli, że ciała krążące wokół Słońca powstały 4,5 mld lat temu z pyłu i gazu wirującego w mgławicy słonecznej o kształcie dysku. Długo sądzono, że obiekty teraz znajdują się mniej więcej tam, gdzie się uformowały. Za Neptunem, gdzie tworzyły się komety, dostępna była mieszanka lodu i bogatego w węgiel puchatego pyłu. Tymczasem ziarna Inti zawierają inne substancje: twarde fragmenty skał, wolfram, azotek tytanu. One mogły powstać jedynie w pobliżu nowo narodzonego Słońca, w temperaturze ponad 1700OC. W historii Układu Słonecznego musiało więc wydarzyć się coś gwałtownego, co wypchnęło te substancje dalej od naszej gwiazdy.   – Byliśmy zdumieni – przyznaje Donald Brownlee, kierownik zespołu Stardust – znajdując cząstki kojarzone z wysokimi temperaturami w najzimniejszych obiektach Układu Słonecznego. Taki wniosek wywraca jego historię do góry nogami. W laboratorium NASA badane są drobiny pyłu. Zebrała je sonda Stardust podczas przelotu w pobliżu komety Wild 2. (Fot. Mark Thiessen) Układ Słoneczny jeszcze do niedawna cieszył się opinią przewidywalnego. – Miał dziewięć planet o regularnych orbitach, po których krążą jak w zegarku – mówi Renu Malhotra z University of Arizona. – Od zawsze i na zawsze. W planetarium możemy zobaczyć urządzenia mechaniczne, które pokazują ruch planet według Izaaka Newtona. Pod koniec XVII w. uznał on, że sposób ich poruszania się można wyliczyć z grawitacyjnego oddziaływania ze Słońcem. Wkrótce zegarmistrzowie zaczęli budować ruchome schematy Układu Słonecznego, w których mosiężne planety krążyły po stałych ścieżkach. Newton zdawał sobie jednak sprawę, że rzeczywistość jest bardziej skomplikowana. Że planety oddziałują nie tylko ze Słońcem, ale też wzajemnie ze sobą. Ta siła przyciągania jest znacznie słabsza niż pochodząca od gwiazdy, ale gdy małe zmiany kumulują się przez długi czas, zaczynają mieć znaczenie. Efekt? – Żadna z planet nie porusza się po okręgu – mówi Brownlee. Orbity planet zaczynają się wydłużać, krzyżują się ze sobą, rozregulowują. Newton twierdził, że najwyraźniej od czasu do czasu do akcji musi wkroczyć Bóg i naprawić ten zegar. Nie potrafił tylko obliczyć kiedy. Nawet on nie był w stanie porachować, jak wzajemne oddziaływania planet wpłyną na kształt ich orbit w dalekiej przyszłości. Nikt jednak nigdy nie widział dowodu, że orbity kiedykolwiek się zmieniły. Na początku obecnego wieku zaczął się jednak wyłaniać inny obraz naszej najbliższej kosmicznej okolicy. Po doniesieniach zespołu Stardust wielu naukowców zaczęło uważać, że wczesna młodość Układu Słonecznego rzeczywiście mogła być gwałtowna. Planety setki milionów lat po uformowaniu przeniosły się na nowe orbity, wyrzucając znajdujące się na ich drodze fragmenty skał i komet. – Kto by pomyślał, że ogromne planety mogły się tak przemieścić? Że Układ Słoneczny tak się zmienił? – pyta Alan Stern z Southwest Research Institute w Boulder w Kolorado. – Były przesłanki, które to sugerowały. Aby je potwierdzić, trzeba było jednak zrobić nowe obserwacje teleskopowe, opracować cyfrowy model układu planet. I zaprząc do pracy komputery, by policzyły orbity dawne i obecne. Pierwsze spostrzeżenia nasunęły się z badań Plutona, małego dziwoląga Układu Słonecznego (który już nie jest uznawany za planetę). Jego orbita jest znacznie przekrzywiona w stosunku do orbit ośmiu planet oraz silnie wydłużona: mierzy 30–50 odległości Ziemia–Słońce. Najdziwniejszy okazał się związek Plutona z Neptunem. Są w tak zwanym rezonansie orbitalnym. W czasie gdy Neptun okrąża Słońce trzy razy, Pluton obiega je dwukrotnie. Planety wykonują ten taniec tak, by nigdy się do siebie nie zbliżyć. W 1993 r. Renu Malhotra wymyśliła, jak ta doskonała synchronizacja mogła powstać. Gdy Układ Słoneczny był jeszcze młody, pełen planetoid i komet, Neptun znajdował się bliżej Słońca niż dziś. Jeśli któryś z tych drobnych obiektów zbliżył się do Neptuna, jego wielka siła grawitacyjna mogła albo ściągnąć go bliżej Słońca, albo wystrzelić poza Układ Słoneczny. Ponieważ akcja zawsze wywołuje reakcję, każde takie wydarzenie trochę zmieniało orbitę planety. Model komputerowy opracowany przez Malhotrę wykazał, że oddziaływania te faktycznie spowodowałyby oddalanie się Neptuna od Słońca. Z komputerowych obliczeń wynika też, że Neptun przechwycił oddalającego się Plutona i wciągnął go w grawitacyjny taniec. Malhotra po 10 latach badań dowiodła swojej racji. W Pasie Kuipera, ciemnym obszarze daleko za Neptunem, teleskopy wykryły wiele tzw. plutoid – planet karłowatych będących w rezonansie dwa do trzech z Neptunem. – To mogło się wydarzyć, tylko gdy Neptun przesuwał się w kierunku Pasa Kuipera jak grawitacyjny pług śnieżny ściągający planety karłowate na nowe orbity – twierdzi badaczka. – Gdy plutoidy zostały odkryte, wszystko się wyjaśniło, a migracja planet w zasadzie stała się podręcznikową teorią. Zbiegło się to w czasie z innymi odkryciami w Układzie Słonecznym. Na początku XXI w. naukowcy już wiedzieli, że jego powstawanie było gwałtowne. Planety nie tworzyły się spokojnie z mgławicy słonecznej, lecz nabierały rozmiarów, wchłaniając inne planetozymale – skaliste planetoidy, lodowe komety i większe obiekty, które roztrzaskiwały się na ich powierzchni. Trwało to prawdopodobnie przez pierwsze 100 mln lat. Zagadką było, dlaczego po pewnym czasie te gwałtowne wydarzenia nie skończyły się raz na zawsze. Setki milionów lat później Księżyc przyjął bowiem wiele kolejnych uderzeń, których ślady widać na jego powierzchni. To tzw. Wielkie Bombardowanie dla Ziemi powinno być jeszcze dotkliwsze. Naukowcy nie wiedzą, co je wywołało. Od tego czasu planety poruszają się po orbitach niemal całkiem wolnych od szczątków.


Podobną zagadkę wykryły teleskopy w Pasie Kuipera. Między plutoidami znajduje się mnóstwo innych obiektów. Niektóre zgromadziły się w płaski dysk, inne w chmurę w kształcie ciastka z dziurką, a jeszcze inne krążą po bardziej nawet wydłużonych orbitach niż Pluton. Gładkie przesunięcie się Neptuna, którym Malhotra wyjaśniła obecność plutoidów, nie rozrzuciłoby szczątków tak szeroko. Tymczasem astronomowie zaczęli odkrywać w kosmosie planety krążące dokoła innych gwiazd. Obserwacje te mocno poszerzyły wiedzę o tym, jak może wyglądać układ planetarny. Orbity niektórych są ciasne, dużo mniejsze niż w naszym Układzie Słonecznym. Są też wiszące samotnie w przestrzeni międzygwiazdowej. Pył komety - Każda drobinka, wpadając do pułapki z aerożelu z prędkością ponad 20 tys. km/godz., pozostawiła ślad grubości włosa. (Fot. Mark Thiessen) Levison, na którego znajomi mówią Hal, to krzepki siwiejący mężczyzna z włosami związanymi w kucyk. – To, co teraz powiem, będzie szalone – tymi słowami zaczął niedawne seminarium. Pewnie powiedział to samo w 2004 r., gdy prezentował tzw. model nicejski opracowany na podstawie wielu symulacji komputerowych. Model ów zakłada, że zewnętrzne planety Układu Słonecznego – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – na początku były znacznie bliżej siebie niż obecnie (ostatnie trzy także bliżej Słońca), a ich orbity miały kształt bliski okręgu. Krążyły wtedy razem z mnóstwem skalnych i lodowych odłamków tworzących mgławicę słoneczną. Po jakimś czasie planety wchłonęły lub wysłały planetozymale w kosmos. Teren się oczyścił. Planety przyciągały siebie wzajemnie, układ był bardzo delikatny, „niemal chaotyczny”, mówi Levison. Planety oprócz oddziaływania grawitacyjnego ze Słońcem, które można porównać do krążenia w kieracie, zachowywały się, jakby dodatkowo
między sobą były połączone sprężynami. Najsilniejsze przyciąganie łączyło dwa największe ciała – Jowisza i Saturna. Zerwanie tej więzi mogłoby dokonać rewolucji w układzie wszystkich planet. To właśnie stało się, jak przypuszczają badacze, gdy Układ Słoneczny miał 500–700 mln lat. Oddziaływania z planetozymalami zmodyfikowały orbity planet: Jowisz przesunął się nieco do środka układu, Saturn, Uran i Neptun – trochę na zewnątrz. Wszystko działo się powoli, aż do chwili, gdy Saturn znalazł się w takim położeniu, że wykonuje jedno pełne okrążenie na każde dwa okrążenia Jowisza wokół Słońca. Ten rezonans zwany „jeden do dwóch” nie był tak stabilny jak związek między Neptunem i Plutonem. Gdy Jowisz i Saturn regularnie się zbliżały, przyciągając się do siebie, ich niemal okrągłe orbity zaczynały się wyciągać i tworzyć elipsy, które obserwujemy obecnie. To wkrótce zakończyło się rezonansem. Zanim jednak do tego doszło, Saturn przysunął się wystarczająco blisko Urana i Neptuna, by je przyspieszyć. W efekcie te dwie planety wyskoczyły na zewnątrz. W mniej więcej połowie symulacji komputerowych nicejskiego zespołu zamieniły się nawet miejscami. Gdy Uran i Neptun krążyły po orbitach Układu Słonecznego pełnego lodowatych planetozymali, wywołały lawinę zniszczeń. Kule lodowe były katapultowane we wszystkich kierunkach. Planety łapały księżyce krążące po dziwnych orbitach. Wiele obiektów – pewnie także kometa Wild 2 – zostało wystrzelonych do Pasa Kuipera. Nieznana ich liczba, być może bilion, została wypchnięta daleko, nawet poza Obłok Oorta – obiekt w kształcie rozległego kokona, który znajduje się w połowie drogi do następnej gwiazdy. Wiele komet zostało też rzuconych do środka układu, gdzie albo zderzyły się z planetami, albo rozpadły w cieple Słońca. Migracje wielkich planet zniszczyły też pas planetoid między Jowiszem a Marsem. Rozproszone dołączyły do komet i przyczyniły się do Wielkiego Bombardowania. Ostatnia misja NASA, GRAIL, pokazuje, jak bardzo Księżyc ucierpiał wówczas i wcześniej. Jego powłoka jest mocno pobrużdżona. Ziemia pewnie zebrała więcej ciosów, lecz ślad po nich zaginął – ruch płyt tektonicznych wymazał ogromne kratery.
Wielkie Bombardowanie zaczęło słabnąć po 100 mln lat, jak sugerują wyliczenia modelu nicejskiego. Jednak z badań Billa Bottke z Southwest Research Institute wynika, że częste impakty mogły utrudniać rozwój życia przez kolejne 2 mld lat. Gdy planetoida uderza w Ziemię, wysoko w jej atmosferze tworzą się krople roztopionej skały, które później spadają w postaci twardych, szklistych kuleczek zwanych sferulami. Teraz naukowcy na całym świecie odnajdują sferule powstałe po uderzeniu planetoidy w Jukatan 65 mln lat temu, które zmiotło z powierzchni Ziemi dinozaury. Na razie odkryto też co najmniej kilkanaście podobnych sferuli będących świadectwem impaktów z okresu 1,8–3,7 mld lat temu. Bottke twierdzi, że w naszą planetę uderzyło nawet 70 planetoid porównywalnych do tej, która wyeliminowała dinozaury. – Ewolucja Układu Słonecznego była naprawdę dynamiczna – mówi Levison. – Jednak to chyba i tak drobiazg w porównaniu z tym, co dzieje się gdzie indziej w kosmosie. Prawdopodobnie ta odrobina kosmicznej łagodności jest niezbędna do tego, by na planecie powstało życie. Jak w zegarku - Choć na starych modelach Układ Słoneczny jest bardzo przewidywalny, w rzeczywistości jest inaczej. Pewien astronom żartuje nawet, że przesunięcie ołówka na biurku może wpłynąć na położenie Jowisza za miliard lat. (Fot. Mark Thiessen) Model nicejski to tylko hipoteza, nie wszyscy naukowcy są przekonani, że słuszna. Badacze sprawdzają ją, tworząc mapy. Rysowanie układów odległych obiektów kosmicznych powinno pokazać, czy i jak planety się tam zachowywały. Stern prowadzi w NASA misję New Horizons, która w lipcu 2015 r. wyśle sondę w okolice Plutona i jego pięciu księżyców. Stamtąd Stern ma nadzieję przekierować sondę tak, by zbadała co najmniej jeden obiekt w Pasie Kuipera. Mocarne teleskopy, które mają powstać w nowej dekadzie, powinny pozwolić nam przyjrzeć się dużo bardziej oddalonym obiektom w Pasie Kuipera. Może też zajrzą do Obłoku Oorta, który Stern nazywa strychem Układu Słonecznego. Wśród obiektów, które zostały wyrzucone tam przez Jowisza, mogą być zaginione planety.– Sądzę, że zdjęcia z Obłoku Oorta pokażą, że jest on wypełniony planetami. Myślę, że znajdziemy tam wiele marsów i ziem – mówi Stern. Jak rysuje się przyszłość planet, które znamy? – Wiele dzieje się tu przypadkiem – mówi Greg Laughlin z University of California w Santa Cruz. Naukowcy sądzą, że cztery wielkie planety zakończyły tułaczkę i za 5 mld lat będą na tych samych orbitach co dziś. Wtedy starzejące się Słońce rozedmie się i pochłonie je. Nie ma jednak pewności, czy Merkury, Wenus, Ziemia i Mars wciąż będą w pobliżu, by poddać się zagładzie. – Mamy 1 proc. szansy, że wewnętrzny Układ Słoneczny gwałtownie się zdestabilizuje przez najbliższe 5 mld lat – mówi Laughlin. Problemem jest dalekozasięgowe powiązanie między Jowiszem a Merkurym. Gdy Jowisz w największym zbliżeniu do Słońca staje na jednej linii z wyraźnie ściśniętą orbitą Merkurego, ciągnie go z niewielką, ale stabilną siłą. Przez miliardy lat daje to Merkuremu jedną szansę na 100 na przekroczenie orbity Wenus. Jest też jedna szansa na 500 na to, że Merkury całkiem zwariuje i zaburzy również orbitę Wenus lub Marsa. Może zrobić to na tyle skutecznie, że któraś z tych planet uderzy w Ziemię. Albo minie ją w odległości kilku tysięcy kilometrów i jest to równie zła wiadomość. – Ziemia rozciągnęłaby się wówczas i stopiła jak ciągutka – mówi Laughlin. Ryzyko całkowitej apokalipsy jest niewielkie, a jego prawdopodobieństwo wynosi 1 do 50 tys. Ziemia uległaby wtedy orbitalnemu chaosowi, po czym zostałaby spalona przez Słońce. To właśnie jest nasze dziedzictwo po młodzieńczych latach Układu Słonecznego. – Tego należy się spodziewać po grawitacji, jeśli da się jej wystarczająco dużo czasu – mówi Levison. Radar - Antena Goldstone ma 70 m średnicy, dzięki czemu można oglądać obrazy planetoid, badać ich prędkość i odległość od Ziemi oraz to, czy się na nią kierują. W lutym 40-metrowa skała przemknęła w odległości zaledwie 27,7 tys. km. (Fot. Mark Thiessen) Warto wiedzieć:
  • Gdy Uran i Neptun krążyły po orbitach Układu Słonecznego pełnego lodowatych planetozymali, wywołały lawinę zniszczeń. Kule lodowe były katapultowane we wszystkich kierunkach.

Poruszenie wśród gigantów Wielkie Bombardowanie mogło być rezultatem dużych zmian orbit planet. Sprawiło, że Neptun (na pierwszym planie) i Uran rozbiły pas komet, a Jowisz – pas planetoid. Zgodnie z modelem nicejskim (jego nazwa pochodzi od miasta, w którym został wymyślony) Jowisz, Saturn, Uran i Neptun urodziły się blisko siebie w mgławicy słonecznej. Jest to obłok w kształcie dysku wypełniony skałami i lodowymi odłamkami. Podczas gdy grawitacja czterech gigantów wciągała je lub wystrzeliwała w kosmos, orbity planet powoli się zmieniały, aż wreszcie osiągnęły punkt krytyczny. Wielkie Bombardowanie mogło być rezultatem dużych zmian orbit planet. Sprawiło, że Neptun (na pierwszym planie) i Uran rozbiły pas komet, a Jowisz – pas planetoid. (Rys. Dana Berry)
  1. 4,4 mld lat temu. Nowo narodzone giganty poruszały się po ciasnych okrągłych orbitach. Uran mógł być od Słońca dalej niż Neptun. Ich orbity powoli się przesuwały, a planety czyściły teren z komet i planetoid. Za Uranem unosi się gęsty pas komet.
  2. 3,8 mld lat temu. Orbita Saturna powiększa się, teraz obiega Słońce dwa razy szybciej niż Jowisz. Grawitacja Jowisza przybliża Saturna do Urana i Neptuna, które przesuwają się w kierunku pasa komet. Komety są wystrzeliwane z pasa we wszystkie strony, także w kierunku Ziemi.
  3. Teraz. Z Wielkie Bombardowanie kończy się, gdy Uran i Neptun sprzątają większość komet ze swoich nowych orbit (oraz zamieniają się miejscami). Cztery giganty osiadają na swoich obecnych, lekko eliptycznych orbitach.
Źródła: Harold Levison i Dan Durda, Southwest Research Institute (SWRI) 1. 4,4 mld lat temu. Nowo narodzone giganty poruszały się po ciasnych okrągłych orbitach. (Rys. Dana Berry)
2. 3,8 mld lat temu. Orbita Saturna powiększa się, teraz obiega Słońce dwa razy szybciej niż Jowisz. (Rys. Dana Berry) 3. Teraz. Z Wielkie Bombardowanie kończy się, gdy Uran i Neptun sprzątają większość komet ze swoich nowych orbit. (Rys. Dana Berry) Narodziny Księżyca Planety powstawały 4,5 mld lat temu w efekcie bardzo gwałtownych zderzeń. Rosły, przyjmując na siebie inne ciała niebieskie. Księżyc prawdopodobnie powstał jako odprysk jednego z serii silnych impaktów. Duży rozmiar Księżyca, jego mała gęstość oraz jeszcze inne właściwości świadczą, że wyłonił się podczas kolizji Ziemi z protoplanetą wielkości Marsa. Wskutek uderzenia w kosmos wyrzucone zostały szczątki samej protoplanety oraz część skalistej powłoki Ziemi (z lewej). Zgodnie z jedną z najnowszych hipotez nasz Księżyc kiedyś mógł mieć również mniejszą siostrę.   Księżyc prawdopodobnie powstał jako odprysk jednego z serii silnych impaktów. (Rys. Dana Berry)
  1. Narodziny Skalne odłamki wpadają na orbitę i zespalają się w jeden – a może dwa – księżyce. Trwa to mniej niż 100 lat. Większość żelaza z protoplanety stapia się z jądrem Ziemi, więc Księżyc ma mniej gęstą budowę niż ona.
  2. Przeprowadzka Grawitacja Księżyca wywołuje pływy na Ziemi, zaś jej ruch obrotowy przyspiesza Księżyc. Zaczyna się on odsuwać od planety. Siostrzany księżyc, blisko trzy razy mniejszy, orbituje w oddali.
  3. Plask! Po dziesiątkach milionów lat Księżyc nawija na siebie mniejszy księżyc. W ten sposób na jego niewidocznej stronie powstają góry – struktura kontrastująca z płaskimi „morzami”, które znajdują się na widocznej stronie.
Źródło: Robin Canup, SWRI 1. Narodziny - Skalne odłamki wpadają na orbitę i zespalają się w jeden – a może dwa – księżyce. (Rys. Dana Berry) 2. Przeprowadzka - Grawitacja Księżyca wywołuje pływy na Ziemi, zaś jej ruch obrotowy przyspiesza Księżyc. (Rys. Dana Berry) 3. Plask! Po dziesiątkach milionów lat Księżyc nawija na siebie mniejszy księżyc. (Rys. Dana Berry) Na strychu Układu Słonecznego We wczesnych, chaotycznych dziejach Układu Słonecznego Jowisz wystrzelił w kosmos prawdopodobnie biliony komet i kilka planet. Z dala od Słońca, ale wciąż pod jego lekkim wpływem, tworzą sferyczny obiekt zwany Obłokiem Oorta. Z tej perspektywy Słońce i jego planety wyglądają jak mały jasny wir. Na pierwszym planie widać tajemniczą nieznaną planetę. Być może takie planety odkryje nowy teleskop budowany w Chile. Źródła: Harold Levison i Dan Durda, SWRI   Z tej perspektywy Słońce i jego planety wyglądają jak mały jasny wir. Na pierwszym planie widać tajemniczą nieznaną planetę. (Rys. Dana Berry) Przepołowiony obłok Komety o długich orbitach pochodzą z Obłoku Oorta. Ich orbity wskazują na to, że obłok (tutaj widziany w przekroju) jest sferyczną powłoką o średnicy roku świetlnego i że jest przepołowionym donatem. Pozostała część Układu Słonecznego (kolor czerwony) leży w jego dziurce. Źródła: Harold Levison i Dan Durda, SWRI Komety o długich orbitach pochodzą z Obłoku Oorta. Ich orbity wskazują na to, że obłok (tutaj widziany w przekroju) jest sferyczną powłoką o średnicy roku świetlnego i że jest przepołowionym donatem. Pozostała część Układu Słonecznego (kolor czerwony) leży w jego dziurce. (Rys. Dana Berry)