Ledus ķermeņi un ilgperiodu komētu rezervuāri Saules sistēmas malās
Saules sistēmas „ledus“ perifērija
Gadsimtiem ilgi tika uzskatīts, ka Jupitera orbīta iezīmē aptuvenu robežu, kur beidzas galvenās planētas, vēlāk secīgi atklājot Saturnu, Urānu un Neptūnu. Tomēr aiz Neptūna Saules sistēma turpinās milzīgos attālumos, kur pastāv ledus, primāro ķermeņu krājumi. Pašlaik izdala divas galvenās zonas:
- Kuiperio josla: Diskveida transneptūnisko objektu (TNO) zona, kas stiepjas no aptuveni 30 AV (Neptūna orbītas) līdz ~50 AV vai vēl tālāk.
- Oorta mākonis: Ļoti tāls, aptuveni sfērisks komētu kodolu mākonim līdzīgs apvalks, sasniedzot vairākus desmitus tūkstošu AV, iespējams līdz 100 000–200 000 AV.
Šie objekti ir ļoti svarīgi Saules sistēmas veidošanās pētījumiem, jo tie saglabājuši sākotnējo sastāvu, kas nav būtiski mainījies kopš protoplanētu diska laikiem. Kuiperio joslā atrodamas pundurplanētas, piemēram, Plutons, Makemake, Haumea un Eris, bet Oorta mākonis ir ilgperiodu komētu avots, kas reizēm ieiet iekšējā Saules sistēmā.
2. Kuiperio josla: ledus disks aiz Neptūna
2.1 Atklāšanas vēsture un agrīnās hipotēzes
Par transneptūnisko populāciju pirmo runāja astronoms Gerard Kuiper (1951. g.), kurš pieņēma, ka aiz Neptūna varētu būt saglabājušās protoplanētu atliekas. Ilgu laiku trūka uzticamu pierādījumu, līdz 1992. gadā Jewitt un Luu atklāja 1992 QB1 – pirmo Kuiperio joslas objektu (KBO) aiz Plutona. Tas apstiprināja līdz tam tikai teorētisko eksistences zonu.
2.2 Telpiskās robežas un struktūra
Kuiperio josla aptver attālumus no aptuveni 30 līdz 50 AV no Saules, lai gan dažas populācijas stiepjas tālāk. Dinamiskās uzvedības dēļ tā tiek iedalīta vairākās klasēs:
- Klasiskie KBO („kubewani“): Zemas ekscentritātes un slīpuma orbītas, parasti bez rezonansēm.
- Rezonējošie KBO: Objekti, "aizslēgti" vidējo kustību rezonansēs ar Neptūnu – piemēram, 3:2 rezonansē (plutīnieši), tostarp Plutons.
- Izkliedētie diska objekti (SDO): Lielāka ekscentritāte orbītas, "izsviestas" gravitācijas mijiedarbību rezultātā, kuru periheli >30 AB, bet afeli var sasniegt >100 AB.
Neptūna gravitācijas migrācija būtiski veidoja šo joslu, izkropļotas orbītas, rezonējošas populācijas. Kopējā joslas masa ir mazāka nekā gaidīts – tikai daži desmitdaļas Zemes masas vai vēl mazāk, kas nozīmē, ka daudzi objekti tika zaudēti izmešanas vai sadursmju rezultātā [1], [2].
2.3 Nozīmīgi KBO un pundurplanētas
- Plutons–Charons: Agrāk saukts par devīto planētu, tagad klasificēts kā pundurplanēta 3:2 rezonansē. Lielākais pavadoņs Harons ir aptuveni puse Plutona diametra, radot unikālu "dubultplanētas" sistēmas dinamiku.
- Haumea: Ātri rotējoša, izstiepta pundurplanēta ar trieciena rezultātā radušiem pavadoņiem vai fragmentiem.
- Makemake: Spilgta pundurplanēta, atklāta 2005. gadā.
- Eris: Sākotnēji šķita lielāks par Plutonu, kas veicināja 2006. gada TBN (IAU) lēmumu precizēt pundurplanētas definīciju.
Šie objekti raksturojas ar dažādu virsmas sastāvu (metāns, slāpeklis, ūdens ledus), krāsām un retām atmosfērām (piemēram, Plutona). Kuipera joslā var būt simti tūkstošu >100 km lielu objektu.
3. Orta mākonis: sfēriska komētu krātuve
3.1 Jēdziens un veidošanās
Jan Oort (1950) ierosināja Orta mākonīša hipotēzi – sfērisku komētu kodolu "apvalku", kas stiepjas no aptuveni 2 000–5 000 AB līdz 100 000–200 000 AB vai tālāk. Uzskata, ka šie objekti agrāk atradās tuvāk Saulei, bet gravitācijas sadursmes ar milzu planētām izsita tos lielos attālumos, veidojot milzīgu, gandrīz isotropisku mākonīša struktūru.
Daudzas ilgperiodu komētas (kuru periods >200 gadi) nāk no Orta mākonī, lido no nejaušām virzienu un plakņu kombinācijām. Dažu orbītas var ilgt desmitiem tūkstošu gadu, kas liecina, ka tās gandrīz visu laiku pavada ārējā aukstumā, tālu no Saules siltuma [3], [4].
3.2 Iekšējais un ārējais Orta mākonis
Daži modeļi atšķir:
- Iekšējais Orta mākonis („Hills Cloud“): Nedaudz toroidāla vai diska zona vairāku līdz vairāku desmitu tūkstošu AB attālumā.
- Ārējais Orta mākonis: Sfēriska zona līdz ~100–200 tūkst. AB, vāji gravitacionāli saistīta ar Sauli, tāpēc ļoti jūtīga pret garām lidojošu zvaigžņu vai galaktisku plūdmaiņu traucējumiem.
Šie traucējumi var nosūtīt daļu komētu uz iekšējo Saules sistēmu (tādējādi iegūstot ilgaperiodu komētas) vai pilnībā izmest tās starpzvaigžņu telpā.
3.3 Oorta mākonīša eksistences pierādījumi
Tā kā Oorta mākonīti tieši nemredzam (objekti ir ļoti tālu un vāji), tā eksistenci apstiprina netieši fakti:
- Komētu orbītas: Gandrīz vienmērīgs ilgaperiodu komētu orbītu sadalījums, kas neuzrāda nekādu īpašu plakni, liecina par sfērisku avota rezervuāru.
- Izotopu pētījumi: Komētu sastāvs liecina, ka tās veidojušās ļoti aukstā reģionā un agri tika izmestas tālumā.
- Dinamiskie modeļi: Simulācijas, kas rāda, kā milzu planētu gravitācija varēja izsviest planetesimālus lielos attālumos, veidojot lielu "mākoni".
4. Ārējās Saules sistēmas ķermeņu dinamika un mijiedarbības
4.1 Neptūna ietekme
Kuiper juostā Neptūna gravitācija veido rezonanses (piemēram, 2:3 plutīnieši, 1:2 "twotīnieši" (twotinos)), attīra noteiktas zonas un uzkrāj objektus citās. Daudzu lielas ekscentricitātes orbītu rašanās saistīta ar tuvām sadursmēm ar Neptūnu. Tādējādi Neptūns darbojas kā "uzraugs", regulējot TNO izvietojumu.
4.2 Pārlidojošās zvaigznes un galaktiskie plūdumi
Tā kā Oorta mākonītis ir tik tālu, ārējās spēki – pārlidojošās zvaigznes vai galaktiskie plūdumi – būtiski ietekmē ķermeņu orbītas, dažkārt novirzot komētas tuvāk Saulei. Tas ir ilgaperiodu komētu galvenais avots. Kosmiskos laika posmos šie spēki var pilnībā izraut daļu ķermeņu no sistēmas, pārvēršot tos par starpzvaigžņu komētām.
4.3 Sadursmes un evolūcijas procesi
KBO reizēm saduras, veidojot ģimenes (piemēram, Haumea trieciena atliekas). Sublimācija vai kosmiskā starojuma ietekme maina virsmas. Daži TNO ir dubultas pāri (piemēram, Plutona-Charona sistēma vai citi mazāki binārie TNO), kas liecina par iespējamu vāju gravitācijas "noķeršanu" vai sākotnēju kopīgu veidošanos. Tikmēr Oorta mākonīša komētas, pietuvojoties Saulei, iztvaiko gaistošos savienojumus un, zaudējot materiālu, galu galā izzūd vai saplīst daļās.
5. Komētas: izcelsme no Kuiper juostas un Oorta mākonīša
5.1 Īsaperiodu komētas (Kuiper juostas izcelsme)
Īsaperiodu komētu orbitālie periodi <200 gadu, parasti tās riņķo progradējās, neliela slīpuma orbitās, tāpēc tiek uzskatīts, ka tās veidojušās Kuiper juostā vai izkliedētā diska daļā. Piemēri:
- Jupitera grupas komētas: Periods <20 gadu, tās būtiski ietekmē Jupitera gravitācija.
- Halio tipa komētas: Periods 20–200 gadu, it kā starpposms starp klasisko īsaperiodu un ilgaperiodu komētām.
Rezonanšu un mijiedarbību ar milzu planētām rezultātā daļa KBO pakāpeniski migrē iekšā, pārvēršoties īsaperiodu komētās.
5.2 Ilgaperiodu komētas (Oorta mākonī cēlonis)
Ilgaperiodu komētas, kuru orbītas periods ir >200 gadi, cēlušās no Oorta mākonī. Tām var būt īpaši ekscentriskas orbītas, dažkārt atgriežoties ik pēc tūkstošiem vai miljoniem gadu no nejaušiem leņķiem (progrādiem vai retrogrādiem). Ja tās vairākas reizes pārlido tuvu planētām vai intensīvi iztvaiko, periods var saīsināties vai komēta pilnībā tiek izmesta no sistēmas.
6. Nākotnes pētījumi un ekspedīcijas
6.1 TNO izpētes misijas
- New Horizons: Pēc Plutona pārlidojuma 2015. gadā 2019. gadā tika veikts pārlidojums pie Arrokoth (2014 MU69), sniedzot unikālus datus par auksto klasisko KBO. Ir apsvērta misijas pagarināšana, lai apmeklētu citus TNO, ja tas ir iespējams.
- Nākotnes misijas uz Eris, Haumea, Makemake vai citiem lielajiem TNO var sniegt detalizētāku virsmas sastāva, iekšējās struktūras un evolūcijas vēstures analīzi.
6.2 Komētu paraugu atgūšana
Tādas misijas kā ESA „Rosetta“ (67P/Čuriumova–Gerasimenko komēta) parādīja, ka ir iespējams orbītēt un pat nosēsties uz komētas. Nākotnē, cenšoties atgūt paraugus no ilgaperiodu Oorta mākonī esošajām komētām, varētu pārbaudīt hipotēzes par to neskartajiem gaistošajiem savienojumiem un iespējamo starpzvaigžņu vides ietekmi. Tas palīdzētu precīzāk izprast Saules sistēmas dzimšanas apstākļus un Zemes ūdens un organisko vielu izcelsmi.
6.3 Jaunās paaudzes debesu novērojumi
Lieli pārskata projekti – LSST (Vera Rubina observatorija), Gaia paplašinājumi, nākotnes plaša lauka infrasarkano staru teleskopi – ļaus atklāt un izpētīt tūkstošiem papildu TNO, detalizētāk atklājot jostas struktūru, rezonanses un robežas. Tas arī palīdzēs precizēt tālo komētu orbītas, pārbaudīt pieņēmumus par iespējamo devīto planētu vai citiem neatklātiem masīviem objektiem, kas būtiski paplašinās mūsu Saules sistēmas izpratni.
7. Nozīme un plašāks konteksts
7.1 Skats uz agrīno Saules sistēmu
TNO un komētas ir kosmiskās laika kapsulas, kas saglabājušas sākotnējās Saules miglāja vielas. Pētot to ķīmisko sastāvu (ledus, organiskās vielas), mēs uzzinām, kā norisinājās planētu veidošanās procesi, kā izklīda gaistošās vielas un kādi faktori varēja pārnest ūdeni un organiskās molekulas uz sistēmas iekšējo daļu (piemēram, agrīno Zemi).
7.2 Sadursmju draudi
Lai arī Oorta mākonī esošās komētas ir retas, tās var iekļūt Saules sistēmas iekšējā daļā ar lielu ātrumu, nes nes lielu kinētisko enerģiju. Īsaperiodu komētas vai Kuipera jostas atlūzas arī rada sadursmes ar Zemi draudus (lai gan mazākus nekā tie asteroīdi, kas tieši tuvojas Zemei). Novērojot tālas populācijas, mēs varam labāk novērtēt ilgtermiņa triecienu varbūtības un plānot planētu aizsardzību.
7.3 Saules sistēmas pamatstruktūra
Kuipera jostas un Oorta mākoņa esamība liecina, ka planētu sistēmas nebeidzas pie pēdējās milzu planētas – Saules sistēma turpinās daudz tālāk par Neptūnu, “saplūstot” ar starpzvaigžņu telpu. Šāda slāņaina uzbūve (iekšējās akmeņainās planētas, ārējās milzu planētas, TNO disks, sfērisks komētu mākonis) var būt raksturīga arī citām zvaigznēm. Novērojot eksoplanētu “atlūzu diskus”, varam pārbaudīt, vai šāda struktūra ir ierasta parādība Galaktikā.
8. Secinājums
Kuipera josta un Oorta mākonis nosaka Saules sistēmas gravitācijas ārējos slāņus, aptverot neskaitāmas ledus ķermeņu masas, kas veidojušās jau agrīnajos sistēmas laikos. Kuipera josta ir diska formas zona aiz Neptūna (30–50+ AU), kurā atrodas pundurplanētas (Plutons) un daudzi mazāki TNO, bet Oorta mākonis ir hipotētisks sfērisks apvalks, kas stiepjas līdz desmitiem tūkstošu AU, – senāko ilgperiodu komētu mājvieta.
Šie ārējie reģioni paliek dinamiski aktīvi, ietekmēti milzu planētu rezonansēm, zvaigžņu traucējumiem vai galaktiskajām spēkiem. Komētas, reizēm pietuvojoties Saulei, ļauj ieskatīties planētu veidošanās detaļās – un atgādina par iespējamiem trieciena draudiem. Pieaugošās novērošanas un misiju iespējas sniedz dziļāku izpratni par to, kā šie tālie rezervuāri saista Saules sistēmas izcelsmi ar tās pašreizējo struktūru. Galu galā Kuipera josta un Oorta mākonis parāda, ka planētu sistēmas var turpināties daudz tālāk nekā parasti uzskatītais “planētu reģions”, it kā tilts starp zvaigznes starojumu un kosmisko tukšumu, kur saglabājušies pirmatnējie ķermeņi, kas nes vēsturi no sistēmas rītausmas līdz tās galīgajam liktenim.
Saites un turpmāka lasīšana
- Jewitt, D., & Luu, J. (2000). “Saules sistēma aiz Neptūna.” The Astronomical Journal, 120, 1140–1147.
- Gladman, B., Marsden, B. G., & Vanlaerhoven, C. (2008). “Nomenklatūra ārējā Saules sistēmā.” In The Solar System Beyond Neptune, University of Arizona Press, 43–57.
- Oort, J. H. (1950). “Kometu mākona ap Saules sistēmu struktūra un hipotēze par tās izcelsmi.” Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands, 11, 91–110.
- Dones, L., Weissman, P. R., Levison, H. F., & Duncan, M. J. (2004). “Oorta mākona veidošanās un dinamika.” In Comets II, University of Arizona Press, 153–174.
- Morbidelli, A., Levison, H. F., Tsiganis, K., & Gomes, R. (2005). “Haotiska Jupitera Trojas asteroīdu sagūstīšana agrīnajā Saules sistēmā.” Nature, 435, 462–465.