Aktualizacja (8 VI 2014): Nowe badania potwierdziły, że hipoteza zderzenia z Teją jest prawdziwa. Hipoteza stała się teorią naukową. Artykuł na ExtremeTech, publikacja w Science, publikacja w Nature.
Łatwo się domyślić, że gdzieś pomiędzy Słońcem a Ziemią znajduje się punkt, w którym siła przyciągania obu obiektów się równoważy. Mniej oczywiste jest to, że takich punktów, gdzie grawitacja dwóch ciał się równoważy jest pięć. Nazywane są one punktami Lagrange’a, lub punktami libracyjnymi *. Ten najbardziej intuicyjny nazywany jest L1. L2 i L3 znajdują się na linii wyznaczonej przez oba ciała, poza orbitą tego mniejszego. L4 i L5 znajdują się na orbicie mniejszego, 60 stopni przed i za nim. Te dwa ostatnie punkty są do pewnego stopnia stabilne. Na orbicie Jowisza, w obu znajdują się chmary asteroid.
Jaki to ma związek z Księżycem? Nie wiemy jak powstał nasz naturalny satelita. Mamy jedynie hipotezy. Hipoteza to takie coś o czym ludzie myślą, mówiąc „to tylko teoria”. No ale na notkę o tym co to jest hipoteza, teoria, i prawo jeszcze przyjdzie czas. Nie mamy obowiązującej teorii, mamy natomiast wiodącą hipotezę. Mówi ona o zderzeniu wczesnej Ziemi z obiektem wielkości Marsa (zwanym zwyczajowo Teją). Materiał wyrzucony w wyniku kolizji uformował wpierw pierścień a następnie Księżyc. Najlepsze wyobrażenie tego zdarzenia widziałem w dokumencie NG „Earth, Making of a Planet”. Krótki fragment tutaj, ale zdecydowanie polecam całość.
OK, zderzenie, a co z tymi punktami? Hipoteza wielkiego zderzenia jest wiodąca, bo na ten moment wydaje się najbardziej prawdopodobna. Nie wyjaśnia wszystkich pytań dotyczących układu Ziemia – Księżyc. Ma też swoje warianty. Jeden z nich mówi, że Teja uformowała się właśnie w punkcie L4 lub L5. Gdy jej masa przekroczyła pewien ułamek masy wczesnej Ziemi, jej orbita przestała być stabilna, zaczęła się „chwiać” i w końcu doszło do zderzenia.
Na ten moment nie potrafimy zweryfikować tej hipotezy. Ale istnieje dość ciekawy „dalszy ciąg”. Tak jak podczas formacji Ziemi pojawiła się Teja, istnieje możliwość, że po kolizji wraz z Księżycem uformował się drugi satelita naszej planety w układzie Ziemia-Księżyc. Ten znacznie mniejszy obiekt również urósł do takiego rozmiaru, że w końcu nie mógł trwać stabilnie w punkcie L4 lub L5 i zderzył się z Księżycem. Ta hipoteza wyjaśnia czemu srebrny glob ma tak wyraźnie różne strony - „ciemna strona” ma być pozostałością po tym zderzeniu.
Ale czemu skazana na Księżyc? Dobra, to stwierdzenie jest trochę na wyrost, ale jest w nim coś kuszącego dla optymisty. Szczególnie jeśli rzeczywiście taki schemat formacji i zderzenia miał miejsce dwukrotnie. Mogłoby to oznaczać, że duże księżyce powstają naturalnie i nie potrzebny jest wielki, kosmiczny zbieg okoliczności. Przez szereg lat uważano, że Księżyc był kluczowy dla powstania życia i przetrwania jego złożonych form na Ziemi. Obecnie istnieją pewne wątpliwości. Zakładając jednak, że tak jest, byłyby szanse, że wiele planet podobnych do Ziemi ma takie duże satelity.
Brzmi elegancko, ale na koniec dorzucę krytyczne spojrzenie – Księżyc jest wyjątkiem w naszym układzie. Żadna z planet nie ma tak dużego satelity w stosunku do swoich rozmiarów. Jeśli to miałby być typowy proces, to czemu Merkury, Wenus i Mars nie mają takich satelitów? Nie wiem, ale mam roboczą hipotezę – kluczowa jest orbita. Może na orbicie Wenus punkty L4 i L5 są za blisko i ewentualny materiał nie zbił się w duży obiekt, tylko opadł jako mniejsze kawałki na planetę. Może Mars ze znacznie większą orbitą i mniejszą masą też nie mógł stworzyć warunków dla formacji takiego obiektu. W najbliższym czasie w jakimś stopniu weryfikację mogą zaoferować symulacje, ale tak złożone procesy są kolosalnym wyzwaniem nawet dla najpotężniejszych komputerów jakie obecnie posiadamy.
* - Czujny czytelnik bardzo słusznie zwrócił mi uwagę, że w punktach libracyjnych panuje równowaga sił grawitacji i dośrodkowej. Dla dwóch ciałach siły grawitacji równoważą się tylko w jednym punkcie pomiędzy nimi, pozostałe punkty możliwe są jedynie dzięki ruchowi orbitalnemu.
Co prawda Pluton nie jest już uznawany za planetę ale tworzy z Charonem, swoim księżycem układ o zbliżonej masie i wielkości, więc Ziemia nie jest taka wyjątkowa. Zastanawia mnie natomiast czy prawa grawitacji uniemożliwiają stworzenie dwóch planet na jednej orbicie. Załóżmy że mamy dwie planety (o zbliżonej masie) po przeciwnych stronach gwiazdy (na antypodach), które jednocześnie goniły by się. Czy taki układ byłby stabilny? Niestety jeszcze nie umiem robić wiarygodnych symulacji fizycznych.
OdpowiedzUsuń