Saules sistēmas perifērija – Koipera josla

Vairāk nekā pirms pusgadsimta amerikāņu astronoms Džerards Pīters Koipers izteica domu, ka tālu aiz Saules sistēmas pēdējās lielās planētas orbītas kādreiz varēja atrasties pati tālākā tā protoplanētu mākoņa daļa, no kura radās Saules sistēma – tā daļa, kas neietilpa planētu sastāvā to veidošanās procesā. Koipers nebija ne pirmais, ne pēdējais, kurš izteica šādu varbūtību. Vēl vairāk – pats viņš domāja, ka debesu ķermeņi, kas kādreiz "apdzīvoja" šīs nomales, diez vai ir saglabājušies līdz mūsdienām, tāpēc ka lielo planētu ietekmei vajadzēja izgrūst tās no Saules sistēmas. Bet, kad 1990. gadā astronomi vērsa jauno, spēcīgo teleskopu skatus šajā virzienā, sev par lielu pārsteigumu viņi patiešām atklāja šajā areālā lielu daudzumu debesu ķermeņu, kas griežas ap Sauli, un nodēvēja šo kopumu par Koipera joslu (tā gan bija likteņa ironija, jo Koipers tieši noraidīja iespēju, ka šādi objekti tur pastāv). Kopš tā laika objektu skaits, kas fiksēts šajā joslā, jau pārsniedzis 1000 (astronomi domā, ka tur varētu būt 100 000), bet to pārsteidzošās īpašības ir padarījušās Koipera joslu par gandrīz pašu noslēpumaināko Saules sistēmas daļu.

Kas notiek aiz Neptūna muguras?

Jāsāk ar to, ka šajā joslā konstatēti objekti, kuru izmērs, masa ir līdzīgi ar Plutona parametriem, ko līdz šim uzskatīja par devīto planētu (viens no šiem objektiem – Erīda – izrādījās pat par 27% masīvāka nekā Plutons). Kļuva skaidrs, ka Plutons ir nevis viena no parastajām planētām, bet vienkārši tuvākais pārstāvis (tāpēc tika ievērots pirmais) no šīs milzīgās mazo debesu ķermeņu "sabiedrības", kam ir kopēja izcelšanās un īpašības.

Tas, protams, radīja vajadzību precizēt, ko var vispār saukt par planētu. Šobrīd aiz Neptūna "muguras" ir atklāti vairāk nekā desmit lielāki objekti (astronomi gan ir pārliecināti, ka to ir krietni vairāk), un, pateicoties tiem, tika noteiktas to kopējās īpašības. Izrādījās, tie visi griežas ap Sauli kā parastas planētas, bet atšķiras no tām ar mazākiem izmēriem. Erīda vai Plutons ir 10–13 reižu mazāki masas ziņā, salīdzinot ar tuvākajiem kaimiņiem, jo nav spējuši izaugt "uz to rēķina".

Tāpēc Starptautiskā Astronomiskā apvienība galu galā atteicās šos ķermeņus (ieskaitot Plutonu) iekļaut planētu statusā un ietvēra to īpašā – pundurplanētu – kategorijā. Tas nozīmē, ka par planētu var nosaukt tikai tādu debesu ķermeni, kas savā veidošanās procesā ietvēris praktiski visu pirmatnējā mākoņa celtniecības materiālu, kurš atradies tā orbītas ceļā. Citiem vārdiem sakot – orbītas rajonā nevajadzētu būt atlūzām, ar kurām saduršanās varētu mainīt planētas trajektoriju vai izsist to no orbītas. Planētas attīra sev plašu orbītas ceļu.

Koipera joslas objektu vidū ir arī diezgan neparasti eksemplāri. Teiksim, Plutons ar savu pavadoni Haronu (kas ir tuvu sava saimnieka lielumam) veido "divējādu sistēmu" (tagad ir zināms, ka gandrīz trešā daļa transneptūna objektu (TNO) ir divējādi). Tā TNO ar numuru 2003EL61, ko atklāja 2003. gadā, ir iegarenas melones forma, bet ne bumbas, un to ietver mazāku "mēnešu" sabiedrība, kas riņķo gandrīz pa to pašu orbītu – acīmredzot tās ir kādas senākas sadursmes sekas, bet Sednai ir tik izstiepta orbīta, ka attālinās no Saules par 900 astronomiskajām vienībām (viena šāda vienība ir attālums no Saules līdz Zemei).

Interesantā joslas uzbūve

Bet izrādījās, vēl interesantāka ir Koipera joslas uzbūve kopumā, ko konstatēja, kad tika pētīti tās atsevišķie objekti. Šī josla ir ne tik plakana, kā, teiksim, Saturna gredzeni, lai gan arī ietver Saules sistēmu ar koncentrisku gredzenu. Objektu orbīta, kas veido Koipera joslu, neatrodas vienā plaknē, bet piepilda tādu kā kosmisku baranku, tas ir – daži objekti kustas ap Sauli gandrīz kā parastas planētas, citi ir noliekti pret to aptuveni 20? leņķī, bet trešie – vairāk nekā 30? leņķī. Katras grupas objektu īpatnības ir atšķirīgas, un tas ļāva astronomiem tos saklasificēt, uzsverot ievērojamas atšķirības to izcelsmē.

Pirmās grupas objekti, kas ne īpaši "atraujas" no parastās planētas griešanās plaknes, tika nosaukti par aukstajiem kjubivaniem – ņemot par pamatu pirmā šāda objekta vārdu QB–1, ko atklāja 1992. gadā, un angļu valodā tā izruna izklausās šādi.

Trešās grupas objekti, kas augstu palecas virs parasto planētu griešanās plaknes, nosaukti kā karstie kjubivani. Abām grupām ir kopējs pamatvārds, jo tām ir kas kopējs: pat visizstieptākās orbītas nekad nepietuvojas Neptūna orbītai, bet vienmēr paliek "barankas" iekšpusē – 40–45 astronomisko vienību attālumā no Saules (Neptūns atrodas 30 vienību no Saules).

Toties otrās grupas pārstāvji ir nosaukti par plutinosiem – tulkojot no itāļu valodas, tas nozīmē "mazie plutoniņi", jo to orbītas ir līdzīgas kā Plutonam, un tām ir tādas pašas izstieptas orbītas, kas Saulei tuvākajā punktā atrodas tuvāk nekā Neptūns. Tiem visiem, ieskaitot Plutonu, ir vienāds griešanās periods – aptuveni 250 gadu, un tas nozīmē, ka tie veic pilnu loku ap Sauli divu gadu, kamēr Neptūns – triju gadu laikā. Tādējādi katrs plutinos reizi divos savos gados izrādās vienā un tajā pašā attālumā no Neptūna (kuram pagājuši tieši trīs gadi). Tādu situāciju, kad divi ķermeņi pēc kāda pilna apgriezienu cikla no jauna izrādās tādā pašā stāvoklī vienam pret otru, astronomi sauc par orbitālo rezonansi. Rezonanses var būt gan starp lielākām planētām, gan vispār starp jebkuriem diviem ķermeņiem, turklāt šādi rada visdažādākās sekas.

Dažādas hipotēzes

Jāteic, ka kjubivani ir pamatiedzīvotāji tajā daļā, ko astronomi sauc par klasisko Koipera joslu (aukstie veido divas trešdaļas, bet karstie – trešdaļu). Šai joslai ir divas noslēpumainas īpašības. Pirmkārt, tā pakāpeniski nekļūst plānāka, kā to varētu gaidīt no pirmatnējā gāzveida–putekļveida mākoņa paliekām, no kurām kādreiz radusies Saule un tās planētas, bet nez kāpēc tā strauji apraujas 50 astronomisko vienību attālumā no Saules, it kā nogriezta – tā ka tālāk nekādu TNO nav. Otrkārt, pat joslas iekšpusē ir "tukšumi", kur TNO ir ļoti maz, tā ka tas atgādina drīzāk ar plaisām sadalītu Saturna sistēmas gredzenu nekā vienotu joslu.

Otru šo īpatnību var izskaidrot ar savstarpējās iedarbības rezonansi. Un plaisas joslā ir tieši tur, kur TNO atrodas "postošā" rezonansē ar Neptūnu. Starp citu, tā var izskaidrot tikai plaisas joslā, bet ne pilnīgu tās apraušanos. Tāpēc šāda stāvokļa izpratne ir dažāda.

Piemēram, šāds aprāvums skaidrojams ar to, ka vēl tālāk no Neptūna (60–90 astronomisko vienību attālumā), atrodas planēta X, kas ir tik liela kā Marss vai pat vēl lielāka un Saules sistēmas veidošanās rezultātā tikusi izsviesta pašā sistēmas malā un griezās pa ļoti stipri eliptisku orbītu. Jebkura pietiekami liela planēta "saslauka" visu materiālu abpus savam ceļam. Turklāt šīs planētas orbīta ir perpendikulāra pārējām, kālab to ievērot ir ļoti grūti.

Saprotams, ka šādi skaidrojumi nav patvaļīgi – aiz tiem slēpjas ilgi datoraprēķini, kas nosaka planētas X savstarpējās attiecības ar citiem objektiem Koipera joslas malā. Uz šādiem aprēķiniem balstās arī citas hipotēzes. Piemēram, viena no tām mēģina atrast atbildes uz trim neatrisinātiem Saules sistēmas vēstures jautājumiem: kā izveidojās šābrīža planētu orbītas, kādā veidā Jupiteram radās viņa tā sauktie Trojas pavadoņi un kāpēc agrīnajos Saules sistēmas pastāvēšanas posmos nelielas iekšējās planētas tika pakļautas pēkšņai un diezgan intensīvai milzīgu asteroīdu un meteorītu bombardēšanai?

Vai atbilde?

Visus trīs jautājumus šīs hipotēzes autori spējuši izskaidrot ar to, ka lielās planētas (Jupiters, Saturns, Urāns un Neptūns) sākotnēji izveidojās tuvāk Saulei un tās ietvēra milzīgs dažādu izmēru debesu ķermeņu mākonis, un tikai savstarpējā mijiedarbība tos "nolika" pašreizējās vietās. Jupiters dreifēja Saules sistēmas iekšienē, pārējie – ārpusē. Aprēķini parādījuši, ka pirmajā posmā planētas pārbīdījās vienmērīgi, bet pēc tam, kad Jupiters un Saturns atdalījās tā, ka izrādījās rezonansē 1:2, to ietekme uz pārējām planētām un asteroīdiem kļuva neparasti postoša. Vairāku miljonu gadu garumā visa Saules sistēma pārdzīvoja satricinājumu periodu, un daudzi attāli objekti tika atrauti no savām orbītām un nomesti kā bumbas uz mazajām iekšējās sistēmas planētām. Trešajā posmā pēc tā paša modeļa lielās planētas, turpinot mijiedarbību ar atlikušajām Saules sistēmas nomalē esošajām planētām, izgāja savās šobrīd esošajās orbītās.

Kā parādīja tālākie pētījumi, šis modelis arī var izskaidrot Koipera joslas noslēpumus. Pēc šīs teorijas, protomākonis, no kā radās Saules sistēma, sākotnēji beidzās šābrīža Neptūna atrašanās vietā – 30–35 astronomiskās vienības no Saules. Vieta, kur šobrīd ir Koipera josla, bija tukša. Kad Jupiters un Saturns izrādījās rezonansē, nozīmīga daļa attālo protomākoņa ķermeņu tika aizmesti tālāk – līdz 50 astronomiskajām vienībām. Bet pēc tam, kad Saule izrāvās no rezonanses ar Jupiteru, šie ķermeņi tur arī palika, izveidojot Koipera joslu. Šis modelis apliecina – šai joslai vajadzētu strauji beigties 45–50 astronomisko vienību attālumā no Saules, kā tas ir arī šobrīd.

Šī pieeja izskaidro arī galveno TNO grupu parādīšanos. Kad Neptūns sāka riņķot pa savu tagadējo orbītu, nonākot kaimiņos ar tikko radušos Koipera joslu, tas izraisīja "dumpošanos" turienes debesu ķermeņu joslā. Daļa to, kas atradās orbītās, kas tuvas rezonansei 2:3 ar Neptūnu, pakāpeniski pārgāja uz stabilām orbītām, kuras tieši atbilda šai rezonansei, – tā radās plutinosi, ieskaitot pašu Plutonu ar Haronu. Citi šie ķermeņi tika izmesti ārpus Saules sistēmas, izveidojot Kentaura grupu, un daži no tiem atkal nokļuva rezonansē, tikai stabilizējošā (1:1), turklāt ne tikai ar Neptūnu, bet ar Jupiteru – kā rezultātā pārtapa par Trojiešiem. To vietā joslā radās tie tukšumi, kurus astronomi ievērojuši mūsdienās. Galu galā pārmaiņas nepiemeklēja to ķermeņu orbītas, kuras nebija nekādā rezonansē, – tie izveidoja kjubivanu grupu.

Tāpat aprēķini rāda, ka daļa debesu ķermeņu no sākotnējās Koipera joslas acīmredzot tika izmesti ne Saules sistēmas iekšienē, bet ārpusē. Un patiešām šādi objekti atradās. Tie veido īpašu "izkaisīto" TNO grupu, kuras tipiska pārstāve ir Erīda, kurai ir tāda izstiepta orbīta, ka tā tikai daļēji paliek joslā. Starp citu, Erīdas un tai līdzīgo orbītas atšķiras arī ar to, ka tās ir gandrīz vertikālas – tas ir, gandrīz guļ plaknē, kas ir perpendikulāra planētu riņķošanas plaknei. No tā izriet tālākais šo ķermeņu liktenis – būt pilnīgi izmestiem ne tikai ārpus joslas, bet, iespējams, no Saules sistēmas vispār.

Noslēpumainā Sedna

Runājot par joslu, jāmin arī Sedna. Šis unikālais transneptūna objekts, ko atklāja 2003. gadā, pat perihēlijā (76 astronomiskās vienības) neietilpst joslā, bet afēlijā (tālākajā punktā) attālinās no Saules par 978 vienībām, un tādā veidā pilns tās riņķošanas aplis aizņem 12 tūkstošus gadu. Sedna mūžīgi atrodas ledainās kosmiskās nakts dziļumos, kas atbilst tās nosaukumam – Sedna eskimosu valodā nozīmē "aukstās jūras dieviete". Labi, ka tā šobrīd atrodas perihēlijā – pretējā gadījumā mēs to diez vai ieraudzītu. Šo objektu attiecina uz īpašu "tālu izsēto" TNO, kuru izcelsme pilnīgi nav skaidra, un šobrīd ir tikai dažas iespaidīgas hipotēzes.

Viena no tām – šie ķermeņi tik savādi izstiepušies tās ietekmes rezultātā, ko radīja zvaigzne, kas pagāja tuvu garām Saulei (800 astronomisko vienību) tās "miglainajā jaunībā" – pirmajos 100 miljonos tās pastāvēšanas gados. Mazāk iespējams, taču Sednas orbītu labāk izskaidrojošs scenārijs teic, ka to izrāva Saule no garām ejošā brūnā pundura (20 reižu mazāka nekā Saule), kam Sedna bija pavadonis. Vēl viens variants – Sednu pievelk pie sevis liela planēta, kas, iespējams, slēpjas tā sauktajā Oorta mākonī, kas ietver Saules sistēmu 50–100 tūkstoš vienību attālumā vai pat vēl tuvāk (no turienes ierodas tās "ilgspēlējošās" komētas, kas ielaužas Saules sistēmas iekšienē).

Vai divu zvaigžņu pikējošā sadursme radīja Sednu? Kā atzinuši astronomi, Sedna uzreiz ieņēma "izdzītās" planētas vietu, kas agrāk piederēja Plutonam. Tās stipri izstieptā orbīta no jauna izjauca iesīkstējušos priekšstatus par Saules sistēmu.

Sednas orbīta sākotnēji bija apļveida. To nevarēja transformēt uz mazo Plutonu, ne milzīgo Neptūnu, jo tie atradās pārāk tālu. Tādā gadījumā – kāpēc gan neizskaidrot šīs orbītas izmaiņas ar kādiem iekšējiem faktoriem, kosmisko spēku spēli, kas darbojās aiz Saules sistēmas robežām?

Vēl viena hipotēze teic, ka pirms vairāk nekā četriem miljardiem gadu Saule satuvinājās ar kādu zvaigzni, ko arī ietvēra planētu virkne. Attālums starp tām – tikai 150–200 vienību. Abu planētas sistēmu perifērijā – vairāk nekā 50 vienību attālumā no mātes zvaigznēm – acīmredzot viss sajaucās šīs tikšanās laikā. Iespējams, svešā zvaigzne aizveda sev līdzi dažus lielākos objektus, kas atradās Saules sistēmas nomalē, tāpēc Sedna tā attālinājās no Saules. Ja abas zvaigznes pienāktu vēl tuvāk viena otrai, arī Neptūns mainītu savu orbītu un apļa vietā "zīmētu" elipsi.

Bet ir vēl cita – tieši pretēja – hipotēze. Iespējams, Sedna sākotnēji riņķoja ap svešo zvaigzni un pēc tam pameta to. Šī varianta ticamība gan ir tikai 10%. Kopā ar viņu no "kosmiskās tumsas" Saules pusē varēja pāriet no vairākiem tūkstošiem līdz vairākiem miljoniem debesu ķermeņu, kuriem tika sagatavots "gaišs gūsts". Tādā gadījumā Saules sistēmas perifērijā atrodas citas zvaigžņu sistēmas matērija. Nereti šo jauno Saules pavadoņu orbītas pavērstas pret Saules sistēmas plakni zem liela leņķa – kas ir lielāks nekā 40?. Šobrīd četru gaismas gadu rādiusā no Saules nav nevienas zvaigznes, taču pirms četriem miljardiem gadu viss varēja būt pavisam citādi. Jo jauni spīdekļi visbiežāk rodas grupām, kurās ir simtiem vai pat tūkstošiem zvaigžņu.

Raksts tapis pēc ārzemju preses materiāliem