Naukowcy wykazali, że gwiazdy przechodzące w przeszłości blisko Słońca zmieniły długoterminową ewolucję orbit planet Układu Słonecznego, w tym Ziemi, a co za tym idzie, zmodyfikowały klimat naszej planety.
Zbadanie tego problemu jest ważne, ponieważ dane geologiczne pokazują, że zmianom ekscentryczności orbity Ziemi towarzyszą wahania klimatu naszej planety. Jeśli chcemy szukać przyczyn starożytnych anomalii klimatycznych, ważne jest, aby wiedzieć, jak wyglądała orbita Ziemi podczas tych epizodów.
Jednym z przykładów takiego epizodu jest paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne (ang. Paleocene–Eocene Thermal Maximum, PETM) 56 milionów lat temu, kiedy temperatura Ziemi wzrosła o 5–8 stopni Celsjusza w czasie 20 000 lat. Było to skorelowane ze wzrostem poziomu morza ze względu na ogrzewanie się oceanów. W oceanach wzrosło również stężenie dwutlenku węgla i spadła zawartość tlenu. Wydarzenie utożsamiane jest ze zmianami w atmosferycznej i oceanicznej cyrkulacji, masowym wymieraniem głębokowodnego bentosu i punktem zwrotnym w życiu ssaków lądowych, ze względu na pojawienie się wielu istniejących do dziś rzędów ssaków.
Wcześniej sugerowano, że ekscentryczność orbity Ziemi była podczas tego zdarzenia szczególnie duża, jednak obecne badania pokazują, że blisko przechodzące gwiazdy powodują, że szczegółowe prognozy ewolucji orbity Ziemi w przeszłości są bardzo niepewne.
Zmiany klimatu Ziemi na przestrzeni 65 milionów lat. We wstawce zaznaczone jest paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne (PETM). Źródło: Wikipedia.
Spotkania gwiazd
Gdy Słońce i inne gwiazdy krążą wokół centrum Drogi Mlecznej, czasem przechodzą blisko siebie. Wydarzenia te nazywane są spotkaniami gwiazd. Dla przykładu, przejście gwiazdy w odległości 50 000 jednostek astronomicznych (j.a.) od Słońca zdarza się średnio raz na 1 milion lat. Przejście gwiazdy w odległości 10 000 j.a. od Słońca zdarza się średnio raz na 20 milionów lat.
Jednym z głównych powodów, dla których ekscentryczność orbity Ziemi zmienia się w czasie, są regularne zakłócenia ze strony olbrzymich planet Układu Słonecznego (Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna). Prowadzi to do powstawania zaburzeń, czyli niewielkich odchyleń toru ruchu planety spowodowanych przyciąganiem grawitacyjnym ciała sąsiedniego.
Gdy gwiazdy przechodzą w pobliżu Układu Słonecznego, zakłócają orbity planet-olbrzymów, co w konsekwencji zmienia tor ruchu Ziemi. W ten sposób gazowe olbrzymy służą jako łącznik między Ziemią a przelatującymi gwiazdami.
Symulacje modelujące przeszłą ewolucję orbity Ziemi. Uwzględniony został wpływ innych planet Układu Słonecznego, pięciu największych asteroid i Plutona. Symulacje po lewej stronie uwzględniają przejście gwiazdy HD 7977 w odległości 4000 j.a. od Słońca 2,8 miliona lat temu. Odległość każdego punktu od środka odpowiada stopniowi eliptyczności orbity Ziemi, a kąt odpowiada kierunkowi wskazującemu peryhelium Ziemi, czyli odległość najbliższego podejścia do Słońca. W animacji wykorzystano obliczenia ze 100 symulacji (każda jest w innym kolorze), próbkowane co 1000 lat przez 600 000 lat. Każda symulacja jest zgodna z warunkami współczesnego Układu Słonecznego, a różnice w przewidywaniach orbitalnych wynikają przede wszystkim z ruchów chaotycznych i przeszłego spotkania z HD 7977. Źródło: N. Kaib/PSI.
Modelowanie ewolucji orbit planet
Do modelowania orbit planet i ich ewolucji w czasie służą symulacje komputerowe, które w tym przypadku są prowadzone wstecz. Podobnie jak w przypadku prognozowania pogody, technika ta staje się mniej dokładna w miarę rozszerzania jej na dłuższe okresy czasu ze względu na wykładniczy wzrost niepewności obliczeniowych. Dotychczas w tych „prognozach wstecznych” nie uwzględniano wpływu gwiazd przechodzących w pobliżu Słońca.
Nowe badanie pokazało, że gdy symulacje uwzględniają przejścia gwiazd, niepewności obliczeń rosną jeszcze szybciej, a horyzont czasowy, poza którym przewidywania tych wstecznych symulacji stają się niewiarygodne, jest krótszy niż sądzono.
Oznacza to dwie rzeczy. Po pierwsze, w historii Ziemi zdarzały się okresy, w których nasza pewność co do wyglądu orbity Ziemi (na przykład jej mimośrodu, czyli stopnia kołowości) była zdecydowanie zbyt duża, ponieważ rzeczywisty kształt orbity nie był znany. Po drugie, przechodzące gwiazdy sprawiają, że możliwe są takie scenariusze ewolucji orbit planet (na przykład długie okresy bardzo dużego lub małego mimośrodu), których nie przewidywały poprzednie modele.
„Biorąc pod uwagę te wyniki, zidentyfikowaliśmy również jedno znane niedawne przejście gwiazdy. Była to podobna do Słońca gwiazda o numerze HD 7977, która zbliżyła się do Układu Słonecznego 2,8 miliona lat temu. Konsekwencje tego przejścia mogły być wystarczające, aby zmienić przewidywania symulacyjne dotyczące orbity Ziemi dla czasów bardziej odległych niż około 50 milionów lat. – powiedział Kaib, pierwszy autor niedawno opublikowanej pracy.
Niepewność dotycząca odległości tego przejścia jest jednak duża. Szacowana odległość waha się od 4000 j.a. (ta odległość ma 5% prawdopodobieństwa) do 31 000 j.a.
„Jeśli do spotkania doszło na większej odległości, wydarzenie to nie miało znaczącego wpływu na orbitę Ziemi. Jeśli jednak prawdziwa odległość była znacznie mniejsza, orbita Ziemi najprawdopodobniej uległa modyfikacji, której wcześniejsze symulacje nie uwzględniały” – dodał Kaib.
Więcej informacji: publikacja „Przechodzące gwiazdy jako ważny czynnik wpływający na paleoklimat i ewolucję orbit Układu Słonecznego”: "Passing Stars as an Important Driver of Paleoclimate and the Solar System's Orbital Evolution", Nathan A. Kaib i in., The Astrophysical Journal Letters, (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad24fb.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: lustracja przedstawiająca niepewność kształtu orbity Ziemi 56 milionów lat temu, spowodowaną potencjalnym przejściem gwiazdy podobnej do Słońca HD7977 2,8 miliona lat temu. Źródło: N. Kaib/PSI
