Przejdź do treści

Co astronomowie znaleźli przedzierając się przez pył w Układzie Słonecznym?

img

Podobnie, jak pył gromadzi się w naszych domach, tak samo gromadzi się w przestrzeni kosmicznej. Ale kiedy osiada w Układzie Słonecznym, często dzieje się to w formie pierścieni. Kilka pierścieni pyłowych okrąża Słońce. Pierścienie śledzą orbity planet, których grawitacja wciąga pył na miejsce wokół Słońca, gdy dryfuje do centrum Układu Słonecznego.

Pył składa się z rozdrobnionych pozostałości z kształtowania się Układu Słonecznego około 4,6 mld lat temu – gruzów z kolizji asteroid lub okruchów z płonących komet. Pył jest rozproszony w całym Układzie Słonecznym, ale gromadzi się w ziarnistych pierścieniach pokrywających orbity Ziemi i Wenus, pierścieni, które można zobaczyć za pomocą naziemnych teleskopów. Badając ten pył – z czego jest zrobiony, skąd pochodzi i jak się porusza w przestrzeni – naukowcy poszukują wskazówek do zrozumienia narodzin planet i składu wszystkiego, co widzimy w Układzie Słonecznym.

Dwa ostatnie badania odnoszą się do nowo odkrytych pierścieni pyłowych w wewnętrznym Układzie Słonecznym. Jedno z badań wykorzystuje dane NASA do przedstawienia dowodów na istnienie pierścienia pyłowego na orbicie Merkurego. Drugie badanie NASA identyfikuje prawdopodobne źródło pierścienia pyłowego na orbicie Wenus: grupę nigdy wcześniej nie odkrytych planetoid krążących razem z planetą.

Guillermo Stenborg i Russell Howard, naukowcy zajmujący się Słońcem w Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, nie mieli na celu znalezienia pierścienia pyłowego. Znaleźli go przypadkiem. Swoje odkrycie naukowcy podsumowali w artykule opublikowanym w The Astrophysical Journal 21 listopada 2018 r.

Opisują w nim dowody na delikatną mgłę kosmicznego pyłu na orbicie Merkurego, tworzącą pierścień o szerokości około 15 mln km.

Jak na ironię, dwaj naukowcy natknęli się na pierścień pyłu, szukając obszaru wolnego od pyłu w pobliżu Słońca. W pewnej odległości od Słońca, zgodnie z prognozą sprzed dekady, potężne ciepło gwiazdy powinno odparować pył, czyszcząc cały ten obszar przestrzeni. Wiedząc, gdzie jest ta granica, możemy dowiedzieć się o składzie samego pyłu i wskazać, w jaki sposób powstały planety w młodym Układzie Słonecznym.

Jak dotąd nie znaleziono dowodów na wolną od pyłu przestrzeń, ale częściowo dlatego, że trudno byłoby ją wykryć z Ziemi. Bez względu na to, jak naukowcy patrzą z Ziemi, cały pył między nami a Słońcem przeszkadza, skłaniając ich do myślenia, że przestrzeń w pobliżu Słońca jest bardziej zakurzona, niż jest w rzeczywistości.

Stenborg i Howard doszli do wniosku, że mogą obejść ten problem, budując model oparty na zdjęciach przestrzeni międzyplanetarnej z satelity STEREO (Solar and Terrestrial Relations Observatory).

Ostatecznie obaj chcieli przetestować swój nowy model w ramach przygotowań dla sondy Parker Solar Probe, która obecnie przelatuje wysoko na eliptycznej orbicie wokół Słońca, zbliżając się coraz bardziej do naszej dziennej gwiazdy w ciągu kolejnych siedmiu lat. Chcieli zastosować swoją technikę do zdjęć, które Parker odeśle na Ziemię i zobaczyć, jak pył zachowuje się w pobliżu Słońca.

Naukowcy nigdy nie pracowali z danymi zebranymi na tym niezbadanym terytorium, tak blisko Słońca. Modele, takie jak Stenborga i Howarda, stanowią kluczowy kontekst dla zrozumienia obserwacji Parker Solar Probe.

Na obrazach STEREO pojawiają się dwa rodzaje światła: światło z płonącej zewnętrznej atmosfery Słońca – zwanej koroną – i światło odbijające się od pyłu unoszącego się w przestrzeni. Światło słoneczne odbite od tego pyłu, który powoli okrąża Słońce, jest około 100 razy jaśniejsze, niż światło koronalne.

Obaj naukowcy zbudowali swój model jako narzędzie dla innych, aby pozbyć się nieznośnego pyłu na obrazach STEREO – i ewentualnie Parker Solar Probe – ale przewidywana wolna od pyłu przestrzeń pozostała w głębi ich umysłów. Gdyby mogli wymyślić sposób na rozdzielenie tych dwóch rodzajów światła i odizolować pył, mogliby dowiedzieć się, ile go tak naprawdę tam jest. Na przykład stwierdzenie, że całe światło na zdjęciu pochodzi z samej korony, może oznaczać, że w końcu znaleźli wolną od pyłu przestrzeń.

Pierścień pyłowy Merkurego był szczęśliwym odkryciem, skutkiem ubocznym podczas pracy nad modelem Stenborga i Howarda. Kiedy wykorzystali swoją nową technikę na zdjęciach STEREO, zauważyli zwiększoną jasność wzdłuż orbity Merkurego – czyli więcej pyłu – w świetle, które w innym przypadku planowali by odrzucić. 

„To nie była odosobniona sprawa. Wszędzie wokół Słońca, niezależnie od pozycji sondy, mogliśmy zobaczyć ten sam pięcioprocentowy wzrost jasności pyłu. To mówiło nam, że coś tam jest, i to jest coś, co rozciąga się wokół Słońca” – powiedział Howard.

Naukowcy nigdy nie zakładali, że wzdłuż orbity Merkurego może istnieć pierścień pyłowy, i być może dlatego nie został wcześniej odkryty. Uważano, że Merkury, w przeciwieństwie do Ziemi czy Wenus, jest zbyt mały i znajduje się zbyt blisko Słońca, aby uchwycić pierścień pyłu. Spodziewali się, że wiatr słoneczny i siły magnetyczne od Słońca wydmuchają nadmiar pyłu z orbity Merkurego.

Dzięki nieoczekiwanemu odkryciu i nowemu czułemu narzędziu, naukowcy nadal są zainteresowani strefą wolną od pyłu. Gdy Parker Solar Probe kontynuuje eksplorację korony, ich model może pomóc innym odkryć wszystkie inne skupiska pyłu czające się w pobliżu Słońca.

Nie po raz pierwszy naukowcy odkryli pierścień pyłowy we wnętrzu Układu Słonecznego. 25 lat temu odkryli, że Ziemia krąży wokół Słońca w olbrzymim pierścieniu pyłu. Inni odkryli podobny pierścień w pobliżu orbity Wenus, najpierw wykorzystując dane z sondy Helios w 2007, a następnie potwierdzając je w 2013 r. dzięki danym z STEREO.

Od tego czasu naukowcy ustalili, że pierścień pyłu na orbicie Ziemi pochodzi głównie z pasa planetoid, rozległego regionu w kształcie torusa znajdującego się między Marsem a Jowiszem, gdzie żyje większość planetoid Układu Słonecznego. Te skaliste asteroidy nieustannie zderzają się ze sobą, gubiąc pył, który dryfuje głębiej pod wpływem grawitacji Słońca, chyba, że grawitacja Ziemi przechwyci go na orbitę naszej planety.

Początkowo wydawało się prawdopodobne, że pierścienie pyłowe Wenus uformowały się jak ziemskie, z pyłu wytworzonego w innym miejscu Układu Słonecznego. Ale kiedy Petr Pokorny, astrofizyk z Goddarda modelował pył spiralnie w kierunku Słońca z pasa planetoid, jego symulacje wytworzyły pierścień, który pasował do obserwacji pierścienia Ziemi, ale nie Wenus.

Rozbieżność ta sprawiła, że zaczął się zastanawiać, skąd, jeżeli nie z pasa planetoid, pochodzi pył na orbicie Wenus. Po serii symulacji Pokorny i jego partner badawczy Marc Kuchner postawili hipotezę, że pochodzi on z grupy wcześniej nie odkrytych planetoid krążących wokół Słońca wzdłuż orbity Wenus. Swoją pracę opublikowali 12 marca 2019 r. w The Astrophysical Journal Letters.

Ekscytujące w tym wyniku jest to, że sugeruje nową populację planetoid, która prawdopodobnie zawiera wskazówki na temat ukształtowania się Układu Słonecznego. Jeżeli Pokorny i Kucher mogą je obserwować, ta rodzina planetoid może rzucać światło na wczesną historię Ziemi i Wenus. Oglądając odpowiednimi narzędziami, planetoidy mogą również ujawnić wskazówki dotyczące chemicznej różnorodności Układu Słonecznego.

Ponieważ pierścień Wenus jest rozproszony na większej orbicie, jest znacznie większy niż nowo wykryty pierścień Merkurego. Mający około 25 mln km wysokości i 10 mln km szerokości pierścień jest zaśmiecony pyłem, którego największe ziarna są mniej więcej wielkości ziaren gruboziarnistego papieru ściernego. Jest o około 10% gęstszy niż otaczająca przestrzeń. Mimo to jest rozproszony – zapakuj cały pył w pierścień, a wszystko, co dostaniesz to planetoida o średnicy 3 km.

Używając tuzina różnych narzędzi do modelowania symulacji przemieszczania się pyłu w Układzie Słonecznym, Pokorny wymodelował wszystkie źródła pyłu, jakie mógł wymyślić, szukając symulowanego pierścienia Wenus, który pasowałby do obserwacji. Lista wszystkich źródeł, które wyprodukował, brzmi jak lista wszystkich skalistych obiektów w Układzie Słonecznym: planetoidy Pasa Głównego, komety z Obłoku Oorta, komety typu Halleya, komety z rodziny jowiszowych, niedawne zderzenia w pasie planetoid.

„Ale żadne nie pasowały. Zaczęliśmy więc tworzyć własne źródła pyłu” – powiedział Kuchner.

Być może pył pochodził z planetoid znajdujących się znacznie bliżej Wenus, niż pas planetoid. Może istnieć grupa planetoid współorbitujących Słońce i Wenus - co oznacza, że współdzielą orbitę Wenus, ale pozostają z dala od planety, często po drugiej stronie Słońca. Pokorny i Kuchner uzasadnili, że grupa planetoid na orbicie Wenus mogła pozostawać niewykryta, ponieważ trudno jest skierować ziemskie teleskopy w tamtym kierunku, tak blisko Słońca bez ingerencji światła słonecznego.

Planetoidy współorbitujące są przykładem tego, co nazywa się rezonansem. Pokorny i Kuchner wymodelowali wiele potencjalnych rezonansów: planetoidy, które okrążają Słońce w rezonansie 2:3 lub 9:10 z Wenus. Spośród wszystkich możliwości, jedna grupa sama stworzyła realistyczną symulację pierścienia pyłowego Wenus.

Naukowcy musieli pokazać, że samo istnienie planetoid w Układzie Słonecznym ma sens. Zdawali sobie sprawę, że mało prawdopodobne jest, by planetoidy na tych specjalnych, kołowych orbitach w pobliżu Wenus dostały się tam z innego miejsca, niż pas planetoid. Ich hipoteza byłaby bardziej sensowna, gdyby były tam od samego początku istnienia Układu Słonecznego.

Naukowcy stworzyli kolejny model, tym razem zaczynając od zbioru 10 000 planetoid sąsiadujących z Wenus. Pozwolili, aby symulacja przebiegła szybko przez 4,5 mld lat historii Układu Słonecznego, włączając wszystkie efekty grawitacyjne każdej z planet. Kiedy model dotarł do dzisiejszych czasów, około 800 z ich testowanych planetoid przetrwało próbę czasu.

Pokorny uważa to za wskaźnik przetrwania. Wskazuje, że planetoidy mogły powstać w pobliżu Wenus w chaosie wczesnego Układu Słonecznego, a niektóre mogły pozostać tam do dzisiaj, zasilając znajdujący się w pobliżu pierścień pyłowy.

Następnym krokiem jest obserwacja nieuchwytnych planetoid. „Jeżeli coś tam jest, powinniśmy to znaleźć” – powiedział Pokorny. Ich istnienie można zweryfikować za pomocą kosmicznych teleskopów, takich jak Hubble, a może i kosmicznych sond takich, jak STEREO. Potem astronomowie będą mieli więcej pytań, na które muszą znaleźć odpowiedź: ile ich tam jest i jak duże są? Czy ciągle wyrzucają pył czy było to jednorazowe wyrzucenie przy rozpadzie?

Astronomowie odkryli pyłowe pierścienie w odległych systemach gwiazdowych. Ogromne pierścienie pyłowe mogą być łatwiejsze do wykrycia, niż egzoplanety i mogą być wykorzystane do wnioskowania inaczej ukrytych planet, a nawet ich właściwości orbitalnych.

Ale interpretacja pozasłonecznych pierścieni pyłowych nie jest prosta. „Aby modelować i dokładnie odczytywać pierścienie pyłowe wokół innych gwiazd, musimy najpierw zrozumieć fizykę pyłu na naszym własnym podwórku” – powiedział Kuchner. Badając sąsiednie pierścienie pyłu na orbitach Merkurego, Wenus i Ziemi, gdzie pył śledzi trwałe efekty grawitacyjne w Układzie Słonecznym, naukowcy mogą opracować techniki odczytu między pierścieniami pyłu, zarówno blisko, jak i daleko.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
What Scientists Found After Sifting Through Dust in the Solar System

Źródło: NASA

Na zdjęciu: Kilka pierścieni pyłowych okrążających Słońce. Pierścienie te powstają, gdy grawitacja planet przeciąga ziarna pyłu na orbitę wokół Słońca. Niedawno naukowcy wykryli pierścień pyłu na orbicie Merkurego. Inni stawiają hipotezę, że źródłem pierścieni pyłu Wenus jest nieodkryta dotąd rodzina współorbitujących planetoid. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith