Orbitālā dinamika un migrācija

Raksturojot orbītu, astronomi izšķir vairākas īpašības, kuras nav iespējams aprakstīt tikai ar attālumu līdz zvaigznei.

Tie ir trīs no orbītas elementiem, ko izmanto ķermeņa kustības aprakstīšanai.[2]

Pietuvošanās saistīta ar apmaiņu

Gandrīz riņķveida orbītas gadījumā, ja planētas un zvaigznes masas nemainās, orbitālā impulsa momenta palielināšana var paplašināt orbītu, bet tā samazināšana – sašaurināt to. Griezes moments ir impulsa momenta izmaiņas ātrums. Ekscentriskas orbītas lielumu nosaka ne tikai impulsa moments – svarīga ir arī orbitālā enerģija.[3]

Planētas gravitācija apkārtējā diskā ierosina spirālveida blīvuma viļņus. Šādi izveidojusies gāzes struktūra savukārt gravitācijas spēkā iedarbojas uz planētu. Šīs apmaiņas rezultātā orbīta var mainīties, planētai nesaduroties ar citu cietu ķermeni.[1]

Saskaņā ar vienkāršu diska modeli iekšējo spirālviļņu ietekme parasti palielina impulsa momentu, bet ārējo viļņu ietekme to samazina. Svarīga ir šo ietekmju nelīdzsvarotība, kā arī griezes moments, ko rada gāze pašas planētas orbītas tuvumā.[1]

I tipa migrācija: planēta gāzu diskā

I tipa migrācija raksturo režīmu, kurā planēta apkārtējo disku maina tikai nedaudz. Migrācijas ātrums un virziens ir atkarīgs no planētas un diska blīvuma, temperatūras un biezuma. Nav ne universālas augšējās masas robežas, ne noteikta migrācijas uz iekšu ilguma.[1]

Gāze orbītas tuvumā rada korotācijas griezes momentu. Šo komponentu ietekmē temperatūras, entropijas un ar blīvumu saistītie gradienti; piemērotos apstākļos tas var līdzsvarot spirālviļņu griezes momentu un veicināt migrāciju uz āru.[4]

Sprauga maina mijiedarbību

Pastiprinoties planētas ietekmei, tā var pārdalīt diska gāzi un izveidot daļēju vai dziļu spraugu. Rezultāts ir atkarīgs no planētas un zvaigznes masu attiecības, diska biezuma, spiediena un impulsa momenta pārneses. To nenosaka viena obligāta Saturna vai Jupitera masas robeža.[5]

II tipo migracija tradiciškai apibūdina tarpą atveriantį režimą. Planeta ir toliau reaguoja į gravitacinius sukimo momentus. Jos judėjimas neprivalo sutapti su klampiu disko dujų srautu į vidų, o dujos gali kirsti tarpą. Vien tarpas negarantuoja lėtos migracijos ir nenustato jos krypties.[6]

Vidutinio judėjimo rezonansas susieja orbitinius dažnius. Pavyzdžiui, kai periodų santykis artimas 2:1, vidinė planeta apskrieja maždaug du kartus per vieną išorinės planetos apsisukimą. Pasikartojančios gravitacinės sąveikos tada gali sutvarkyti jų santykines orbitines fazes.[10]

Vien periodų santykis, artimas sveikųjų skaičių santykiui, rezonanso neįrodo. Astronomai nagrinėja orbitinių kampų derinius ir tikrina, ar planetoms sąveikaujant jie svyruoja ribotame intervale – tai vadinama libracija.[10]

Artėjančios migracijos gali priartinti planetas

Jei planetos migruoja skirtingu greičiu, atstumas tarp orbitų gali mažėti. Esant tinkamai migracijai ir slopinimui, jos gali būti įtrauktos į rezonansą ir toliau judėti kaip susieta grupė. Modeliuose taip galima sukurti kompaktiškas grandines; ne kiekvienas suartėjimas garantuoja įtraukimą.[11]

Rezonansinė struktūra vienareikšmiškai neparodo įveikto atstumo. Modeliavimas rodo, kad kai kurios stebimos grandinės gali susidaryti dėl migracijos dideliais atstumais, trumpesnių persitvarkymų arba ekscentriciteto slopinimo, orbitos dydžiui mažai kintant.[14]

Dažas ķēdes saglabājas, bet citas kļūst nestabilas, vājinoties slāpēšanai vai notiekot turpmākai mijiedarbībai. To planētas var sadurties un nostabilizēties mazāk sakārtotā izkārtojumā. Gāzu izkliede neliek visām rezonanses sistēmām izjukt.[11]

Pēc gāzu izzušanas to radītie griezes momenti vairs neveicina migrāciju. Atlikušās planētas un mazākie ķermeņi joprojām var apmainīties ar enerģiju un leņķisko impulsu. Dažāda mijiedarbība izraisa dažādas pārmaiņas.

Sekulārā mijiedarbība: lēnas formas un orientācijas pārmaiņas

Sekulārā evolūcija apraksta ietekmi, kas aprēķināta, vidējojot pār daudzām orbītām. Konservatīvā tuvinājumā planētas var apmainīties ar leņķisko impulsu un mainīt ekscentricitāti, slīpumu un orbītu orientāciju, kamēr lielās pusasis paliek aptuveni nemainīgas. Tāpēc ekscentricitātes maiņa pati par sevi nenozīmē migrāciju uz iekšu.[15]

Izkliede: ciešas palidošanas, kas pārkārto sistēmu

Kad planētas sastopas cieši, to gravitācijas mijiedarbība var strauji mainīt orbītu izmērus. Iespējamie iznākumi ir ekscentriskākas vai vairāk sasvērtas orbītas, sadursmes un planētas izsviešana. Izsviesta planēta vairs nav gravitācijas ziņā saistīta ar savu zvaigzni. Šādas sastapšanās var notikt dažādos posmos, arī tad, kad diskā vēl ir gāze.[16]

Liela ekscentricitāte liecina par orbītas ierosināšanu, taču nenosaka vienu konkrētu cēloni. Piemērotos apstākļos ļoti lielu ekscentricitāti var radīt arī sekulārā mijiedarbība.[16], [15]

Planetezimāli: daudzas nelielas sastapšanās ar summējošu ietekmi

Atlikušie cietie ķermeņi var veicināt migrāciju, planētām tos izkliedējot. Katrā sastapšanās reizē tiek nodots neliels orbitālās enerģijas un leņķiskā impulsa daudzums. Ilgstoša, asimetriska sastapšanos plūsma var pakāpeniski pārvietot planētu uz iekšu vai āru pat pēc gāzu izkliedes.[17]

Karstie Jupiteri ir milzu planētas ar ļoti īsiem apriņķošanas periodiem – parasti vien dažas dienas. Starp to piedāvātajiem izcelsmes scenārijiem ir pārvietošanās gāzu diskā, vēlīna migrācija ar lielu ekscentricitāti un veidošanās tuvu zvaigznei. Planētas pašreizējais tuvums zvaigznei vien neļauj noteikt tās izcelsmes ceļu.[18]

Vispirms – pietuvināt orbītas tuvāko punktu zvaigznei

Izkliede vai ilgstoši gravitācijas traucējumi var izstiept orbītu tik tālu, ka pericentra attālums kļūst mazs. Kozai–Lidova evolūcijas laikā pareizi izvietots tāls pavadonis var izraisīt lielas ekscentricitātes un orbītas slīpuma pārmaiņas. Šis pavadonis var būt planēta vai zvaigzne; mehānismam nav vajadzīgas trīs zvaigznes.[15]

Tad — samazināt orbītas enerģiju plūdmaiņu ietekmē

Planētai tuvu palidojot garām zvaigznei, plūdmaiņu spēki to deformē. Disipācijas dēļ daļa orbītas enerģijas pārvēršas siltumā. Ja planēta nesair un disipācija ir efektīva, atkārtota pietuvošanās var samazināt orbītu un padarīt to cirkulāru. Kad plūdmaiņu ietekmē orbīta kļūst cirkulāra gandrīz izolētā sistēmā, orbitālais leņķiskais moments var palikt gandrīz nemainīgs, lai gan enerģija tiek zaudēta.[19]

Ļoti ekscentriskā orbītā, kuras pericentrs atrodas tālu no zvaigznes, var nebūt ievērojamas plūdmaiņu migrācijas. Pietiekami pietuvoties, izkliedēt pietiekami daudz enerģijas un nesairušam palikt — tās ir atsevišķas prasības.[18]

Ārējās Saules sistēmas modeļos planetezimālu izraisīta migrācija un milzu planētu savstarpējā mijiedarbība tiek izmantota, lai izskaidrotu pašreizējo orbītu un mazo ķermeņu populāciju īpatnības. Piemēram, Neptūna migrācija uz āru var ievilkt objektus rezonansēs un atstāt atpazīstamus rakstus Koipera joslā.[17]

Nicas modelis aptver veselu attīstības scenāriju grupu

Francijas pilsētas vārdā nosauktā Nicas modeļa scenārijos milzu planētas sākotnēji ir izvietotas ciešāk, un tālāk tiek aplūkota to migrācija un nestabilitātes attīstība, kas noved pie plašākas sistēmas. Dažādās versijās atšķiras sākotnējais planētu sastāvs, rezonanses, satuvināšanās un notikumu laiks. Sistēmas saglabājusies uzbūve ļauj ierobežot šīs iespējas, bet nesniedz pilnīgu notikumu hroniku.[17]

Agrīna nestabilitāte, kad Zemei līdzīgās planētas vēl veidojās, ir iespējams attīstības scenārijs, ko pēta modelēšanā. Bieži atkārtoto apgalvojumu, ka satricinājums noteikti notika aptuveni 700 miljonus gadu pēc planētu veidošanās, nevajadzētu uzskatīt par droši noteiktu datējumu.[20]

Ar arī dažādi var skaidrot uz Mēness saglabājušās triecienu pēdas. Vēlā intensīvā bombardēšana, kas notika īsā laikposmā, un tās saistība ar milzu planētu nestabilitāti nav apstiprināti fakti.[21]

Kustīgas milzu planētas var pārdalīt akmeņaino planētu sastāvdaļas

Migrējoša milzu planēta var izjaukt mazāku objektu kustību, koncentrēt tos vai izkliedēt, taču tā ne vienmēr novērš jebkādu turpmāku akmeņainu planētu veidošanos. Modelējumi liecina, ka no pāri palikušā materiāla var veidoties Zemei līdzīgas planētas gan milzu planētas migrācijas laikā, gan pēc tās.[22]

Augošās milzu planētas var arī izkliedēt ūdeni saturošas planetesimāles uz sistēmas iekšējo daļu. Tas var veicināt ūdens nogādāšanu uz Zemei līdzīgām planētām, un tālab nav nepieciešams, lai ikviens atnests objekts būtu pārvietojies pa vienu konkrētu migrācijas trajektoriju. Ar ūdens nogādāšanu vien nepietiek, lai pierādītu, ka virsma ir apdzīvojama.[23]

Noderīgam modelim kopā jāizskaidro vairāki novērojumu aspekti: orbitālie periodi, ekscentricitātes, pavadoņi, rezonanses saiknes un jaunu disku uzbūve. Viena izteikta pazīme reti atklāj visu notikumu secību.

Diska struktūra, rezonanses dinamika un orbītas saraušanās ļauj pētīt dažādus procesus un laikmetus. Tie jāsalīdzina, izmantojot modeļus, kas sniedz prognozes katram mērījumam.

Pārbaudiet visu sistēmu

WASP-12b izpētē tranzītu un aizklāšanu laika mērījumi palīdzēja atšķirt orbītas saraušanos no ekscentriskas orbītas orientācijas maiņas. Tas parāda, cik svarīgi ir apvienot mērījumus, pirms parādību attiecina uz konkrētu mehānismu.[25]

Pētot jaunas sistēmas, disku novērojumi un modelēšana palīdz raksturot apstākļus, kuros var notikt migrācija. Pētot senākas sistēmas, ar orbītu mērījumiem pārbauda saglabājušās konfigurācijas. Apvienojot šīs pierādījumu līnijas, ticams stāsts kļūst par stingrākām prasībām atbilstošu zinātnisku skaidrojumu.