Przejdź do treści

Co astronomowie znaleźli przedzierając się przez pył w Układzie Słonecznym?

img

Pył gromadzi się w przestrzeni kosmicznej podobnie jak w naszych domach. Ale kiedy osiada w Układzie Słonecznym, często dzieje się to w formie pierścieni. Kilka pierścieni pyłowych okrąża Słońce. Podążają one za orbitami planet, których grawitacja wciąga pył, gdy dryfuje do centrum Układu Słonecznego.

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

Dwa niedawno opublikowane artykuły traktują o nowo odkrytych pierścieni pyłowych w wewnętrznym Układzie Słonecznym. Jeden opisuje wykorzystanie danych NASA do przedstawienia dowodów na istnienie pierścienia pyłowego na orbicie Merkurego. W drugim badacze identyfikują prawdopodobne źródło pierścienia pyłowego na orbicie Wenus: grupę nigdy wcześniej nieodkrytych planetoid krążących razem z planetą.

Guillermo Stenborg i Russell Howard, naukowcy zajmujący się Słońcem w Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, nie mieli na celu odszukania pierścienia pyłowego – znaleźli go przypadkiem. Swoje odkrycie naukowcy podsumowali w artykule opublikowanym w „The Astrophysical Journal” 21 listopada 2018 roku. Opisują w nim dowody na delikatną mgłę kosmicznego pyłu na orbicie Merkurego, tworzącą pierścień o szerokości około piętnastu milionów kilometrów.

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

Jak dotąd nie znaleziono dowodów na wolną od pyłu przestrzeń – po części dlatego, że trudno byłoby ją wykryć z Ziemi. Pył nagromadzony między nami a Słońcem zaburza obserwacje i sugeruje badaczom, że przestrzeń w pobliżu Słońca jest bardziej zakurzona niż 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). Chcieli przetestować tę koncepcję za pomocą 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. Sonda wykonała zdjęcia według opracowanej przez nich metody i odesłała je na Ziemię – i dwaj badacze mogli 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 ten Stenborga i Howarda stanowią kluczowy kontekst dla zrozumienia obserwacji wykonanych przez Parker Solar Probe. Na obrazach uzyskanych przez obserwatorium 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 stu razy jaśniejsze niż światło koronalne.

Obaj naukowcy skonstruowali ten model jako narzędzie dla innych badaczy, aby pozbyć się nieznośnego pyłu na obrazach z obserwatorium STEREO – i ewentualnie Parker Solar Probe – ale przewidywana wolna od pyłu przestrzeń wciąż ich nurtowała. 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 do zdjęć wykonanych przez obserwatorium 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 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 on 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. Parker Solar Probe kontynuuje eksplorację korony, a model dwóch badaczy 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. Dwadzieścia pięć lat temu ustalono, że Ziemia krąży wokół Słońca w olbrzymim pierścieniu pyłu. Inni odkryli podobny pierścień w pobliżu orbity Wenus, najpierw, przy wykorzystaniu danych z sondy Helios w 2007 roku i z obserwatorium STEREO w 2013 roku.

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 krąży większość planetoid Układu Słonecznego. Te skaliste asteroidy nieustannie zderzają się ze sobą, gubiąc pył, który dryfuje w głąb Układu 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 z pasa planetoid spiralnie w kierunku Słońca, 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 współpracownik Marc Kuchner postawili hipotezę, że pochodzi on z grupy nieodkrytych wcześniej planetoid krążących wokół Słońca wzdłuż orbity Wenus. Swoją pracę opublikowali 12 marca 2019 roku w „The Astrophysical Journal Letters”.

Sugeruje to istnienie nowej grupy planetoid, dzięki którym dowiemy się więcej na temat ukształtowania się Układu Słonecznego. Ta rodzina planetoid może pomóc poszerzyć wiedzę o wczesnej historii Ziemi i Wenus i różnorodności składu chemicznego Układu Słonecznego.

Ponieważ pierścień wokół Wenus jest rozproszony na szerszej orbicie, jest znacznie większy niż nowo wykryty pierścień Merkurego. Ma około 25 milionów kilometrów wysokości i 10 milionów kilometrów szerokości, i jest zaśmiecony pyłem, którego największe ziarna są mniej więcej wielkości ziaren gruboziarnistego papieru ściernego. Jest też o około 10% gęstszy niż otaczająca przestrzeń. Mimo to jest rozproszony – gdyby zebrać go w jdnym miejscu, powstałaby planetoida o średnicy trzech kilometrów.

Używając tuzina różnych narzędzi do symulacji przemieszczania się pyłu w Układzie Słonecznym, Pokorny wymodelował wszystkie źródła pyłu, jakie tylko mógł wymyślić. Szukał symulowanego pierścienia Wenus, który pasowałby do obserwacji. Lista wszystkich hipotetycznych źródeł brzmi jak lista wszystkich skalistych obiektów w Układzie Słonecznym: planetoidy Pasa Głównego, komety z Obłoku Oorta, komety typu Halleya, komety z rodziny jowiszowych, oraz miejsca niedawnych zderzeń w pasie planetoid. Jednak żadne z tych miejsc 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 wokół Słońca i Wenus jednocześnie – co oznacza, że współdzielą orbitę Wenus, ale pozostają z dala od planety, często po drugiej stronie Słońca. Pokorny i Kuchner uzasadnili to tym, 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 specyficznych, 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 dziesięciu tysięcy planetoid sąsiadujących z Wenus. Pozwolili, aby symulacja przebiegła szybko przez 4,5 miliarda lat historii Układu Słonecznego, przy uwzględnieniu wszystkich efektów grawitacyjnych każdej z planet. Kiedy model dotarł do dzisiejszych czasów, około ośmiuset z 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 pozostają tam do dzisiaj i zasilają znajdujący się w pobliżu pierścień pyłowy.

Następnym krokiem jest obserwacja nieuchwytnych dotąd 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 jest tam planetoid i jak są duże? Czy ciągle wyrzucają pył, czy był to jednorazowy wyrzut przy rozpadzie?

Astronomowie odkryli pierścienie pyłowe w odległych systemach gwiazdowych. Ogromne pierścienie pyłowe mogą być łatwiejsze do wykrycia niż egzoplanety i można je wykorzystywać do lokalizowania ukrytych planet, a nawet ustalania ich właściwości orbitalnych.

Jednak interpretacja pozasłonecznych pierścieni pyłowych nie jest prosta. Aby modelować i dokładnie opisywać 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, które uwidaczniają trwałe efekty grawitacyjne w Układzie Słonecznym, naukowcy mogą opracować techniki analizy takich pierścieni – zarówno tych znajdujących się blisko, jak i daleko.

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

Źródło: NASA

Opracowanie: Agnieszka Nowak

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

Reklama