Gravitační tango - chaos a řád ve Sluneční soustavě

Jak vzniká planetární soustava? Co se stane, když přesunete některou z planet na jinou pozici? Vypukne chaos? Chaos je základní vlastnost každé planetární soustavy – i té naší. (délka blogu 5 min.)

Na začátku byl …

Podle dnes platných teorií se dá vycházet z toho, že se jako první ve Sluneční soustavě zformovala dnes největší planeta – Jupiter. Nacházela se v blízkosti tzv. „sněžné hranice“. To je určitá oblast v původním oblaku plynu a prachu, ze kterého se formuje soustava. Intenzivní sluneční vítr ještě mladého Slunce odvál ze svého okolí lehčí část materiálu, který se pak shromažďoval ve větší vzdálenosti v místě, kde je už dostatečně nízká teplota na to, aby plyn zkondenzoval. Vytvořil pak pevné částečky, které se dále slepovaly. Byly pak už dostatečně těžké na to, aby vzdorovaly všudypřítomnému slunečnímu větru. Kde přesně se to v rámci oblasti označované jako sněžná hranice stalo, se dnes už nedá říci. Konkrétní místo nejspíše vybírala náhoda.

Jakmile první planeta dorostla do určité velikosti, začala gravitací ovlivňovat své okolí. Největší vliv měla především na ty shluky hmoty, které se nacházely v gravitační rezonanci.

Dráhová rezonance s Jupiterem

Gravitace nutí obíhat tělesa kolem centrální hvězdy podle určitých pravidel. Čím bližší je těleso, tím vyšší je její oběžná rychlost.

Výsledkem těchto rozdílných rychlostí je dráhová rezonance. Doba oběhu obou rezonujících těles se přitom dá vyjádřit poměrem malých celých čísel.

Prakticky to znamená, že se obíhající tělesa „potkávají“ vždy ve stejném bodě své dráhy. Gravitačnímu centru bližší těleso obíhá rychleji, udělalo například 2 oběhy, zatímco vnější těleso jen jeden. Mezi tělesy pak nastává v tomto bodě gravitační vazba (rezonance), která ovlivňuje stabilitu tohoto uspořádání. Může být jak destabilizující tak stabilizující – to záleží na konkrétních podmínkách, panujících v daném systému.

Typickým případem takových oběžných drah jsou dráhy planet Jupitera a Saturnu, jejichž oběžné doby (11,86 roku, resp. 29,46 roku) jsou v poměru 2:5. Dráhové rezonance se často pozorují i v soustavách měsíců planet.

Rezonance s Jupiterem vytvořila tzv. Kirkwoodovy mezery v hlavním pásu asteroidů. Kromě toho vymetla rezonující hmotu z dalších a leckdy i poměrně vzdálených oblastí naší soustavy. Ostatní planety pak mohly vznikat jen v těch místech, které rezonance s Jupiterem nepostihla.

Na samém počátku existence Sluneční soustavy …

… se z původního materiálu oblaku plynu a prachu vytvářely trilióny malých asteroidů. Kroužily na relativně stabilních a víceméně kruhových drahách kolem tehdy ještě mladého Slunce. Jejich vzájemnými kolizemi se zformovalo několik set planetárních embryí, velkých jako Měsíc nebo planeta Mars. Dokud byla jejich celková hmotnost nižší, než hmotnost ostatních malých objektů soustavy, zůstávaly dráhy těchto embryí celkem stabilní. Problém nastal až v momentě, kdy jejich hmotnost překročila určitou hranici. Teď už mohly na sebe navzájem větší objekty působit svou gravitační silou. Mělo to za následek, že se některé z nich dostaly na více či méně excentrické (oválnější) dráhy. Na takových drahách číhalo nebezpečí vzájemných kolizí. Ty paradoxně přispěly k vyšší stabilitě systému. Některé z protoplanetek byly ze systému vymrštěny. Objekty, které zbyly, měly pak nějakou dobu víceméně stabilní dráhy.

Velké vnější planety Saturn, Uran a Neptun svou gravitací ovlivňovaly okolí a nasměrovaly velké množství menších objektů směrem ke Slunci. Samy se přitom od Slunce poněkud vzdálily.

Už tehdy obří Jupiter byl svou gravitací schopen objekty ze Sluneční soustavy dokonce úplně vypudit. Sám přitom putoval o něco blíže Slunci. 

Gravitační síla kamenných planet Merkuru, Venuše, Země a Marsu na podobné ovlivňování okolní hmoty nestačila. Na objekty ve svém okolí mohly mít tyto planety vliv jen při přímém a relativně blízkém setkání. Přesto se excentricita jejich oběžných drah následkem jemných interakcí s menšími objekty postupně měnila. Více či méně protáhlé a měnící se dráhy vnitřních planet se zasloužily o to, že se vnitřní soustava prakticky ve všech svých oblastech vyčistila od malých objektů. Planety je prakticky vychytaly.

Sluneční soustava

Dnešní vnitřní planety, které jsou nejblíže Slunci, jsou kamenného typu. Vytvořily se shlukováním pevných a tím pádem těžších částic, které na rozdíl od lehkých plynových molekul odolaly počátečnímu silnému slunečnímu větru. Pevné částice zůstaly relativně blízko gravitačního centra systému (Slunce) a postupem doby se z nich vytvořily menší nebo větší tělesa s kamenným (silikátovým) povrchem a více či méně rozsáhlými kovovými jádry.

Vnější planety se zformovaly z odvátého plynu a prachu, který se nacházel ve vzdálenější části původního oblaku plynu a prachu, ze kterého se tvořila naše soustava. Dnes mají pravděpodobně kamenná jádra, které obklopuje velké množství plynů v různých skupenstvích.

I dnes vévodí všem planetám obrovský Jupiter. Následující graf naznačuje, jak silný je jeho gravitační vliv. Jsou v něm zaneseny hmotnosti jednotlivých planet.

Gravitace Jupiteru ovlivnila nejen oblasti, ve kterých se vytvoří budoucí planety (viz výše), pohrávala si s nimi také během jejich růstu. Dá se to odvodit z faktu, který vidíte na grafu – nevzdálenější planeta Neptun je větší, než Uran, její přímý soused. Vzhledem k tomu, že koncentrace hmoty směrem k okrajům protoplanetárního disku ubývá, dá se tato situace vysvětlit jediným logickým způsobem: Neptun byl kdysi bližší a Uran naopak vzdálenější planetou.  

Gravitace může ovlivnit také klima planety

Jacques Laskar, francouzský vědec, který se zabýval stabilitou slunečního systému a výpočty drah planet, přišel na další zajímavý vliv Jupiteru na vnitřní planety. Obří planeta se v minulosti podílela také na změnách sklonu jejich rotačních os, tvrdí vědec. Rotační osy Merkuru a Venuše se mohly v minulosti díky vlivu Jupitera měnit nepravidelně nebo dokonce chaoticky. Mohly se dokonce sklonit do roviny oběhu kolem Slunce, tak, jak to dnes pozorujeme u Uranu. To muselo mít drastické následky pro planetární klima. Merkur v podstatě nemá znatelnou atmosféru, zato na Venuši se musel efekt projevit velice intenzívně.

Země měla štěstí. Osudu podobnému Venuši unikla díky přítomnosti Měsíce, který stabilizuje pozemskou rotační osu a zabezpečuje tak příjemné klimatické podmínky na naší planetě. Země obíhá kolem Slunce v lehce nakloněné pozici s odchylkou 23,3 stupně. Odhaduje se, že se v minulosti odchylovala o maximálně 1,3 stupně. Bez vlivu Měsíce by osa naší planety mohla kolísat až o 80 stupňů a klimatické katastrofy všech druhů by byly nevyhnutelné.

Zdroje: Laskar A, Nature, Bd. 338, 1989, S. 237-238. Laskar, Icarus, Bd. 88, 1990, S. 266-291. Laskar, Astron. Astrophys., Bd. 287, 1994, L 9 -L12, Laskar, F. Joutel, P. Robutel, Nature Bd. 361, 1993, S. 615-617, Laskar, Robutel, Nature Bd. 361, 1993, S. 608. Laskar, A. Correia, Nature, Bd. 411, 2001, S. 767-770, Laskar, M. Gastineau, Letters to Nature, 11. Juni 2009, Laskar, S. Dumas, Physical Review Letters, Bd. 70, 1993, S. 2975. Laskar, Physica D, Bd. 67, 1993, S. 257-281, Steven, American Scientist 95, 5