| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Odkud přicházejí komety?
Jakub Rozehnal
Kometární materiál je pro astronomy zabývajícími se studiem vzniku sluneční soustavy nesmírně cenným materiálem. Máme totiž zato, že komety jsou vlastně pozůstatkem prvních těles, tzv. planetezimálPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami., která vznikla akrecí z prachoplynného disku v době před cca 4,5 miliardy let. Jedná se o geologicky nedotčený materiál, který nám může prozradit cenné informace o vzniku a raném vývoji sluneční soustavy. Dynamika kometárních drah nám navíc pomáhá doplnit i informace o pozdních fázích vývoje planetárního systému, ve kterých probíhala migrace planetPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce.. Tuto teorii, kterou popisuje tzv. „model z Nice“, jsme popsali v AB 13/2009.
|
V době, kdy byla objevena první transneptunická tělesa, byla oblast jejich výskytu označena jako Kuiperův pás. Dnes, kdy je známo přes 1 400 transneptunických těles, je možno mezi nimi najít populace s charakteristickými vlastnostmi. Z dynamického hlediska proto tělesa v oblasti za drahou Neptuna rozdělujeme na: Klasický Kuiperův pás: tělesa obíhající na drahách s nízkým sklonem a relativně malou excentricitou (do 0,1). V tomto pásu také leží historicky první objevené těleso, označené QB1 (anglicky se proto také někdy tato populace těles označuje jako „cubewanos“). Klasický Kuiperův pás je ohraničen dvěma rezonačními populacemi. Jsou to
Rozptýlený disk: rozprostírá se do větších vzdáleností (tělesa se vzdalují od Slunce i nad 100 AU). Tělesa mají vysoké sklony (i 40°) a velké excentricity (větší než 0,4). Jejich perihélia však leží u dráhy Neptunu. V prostoru vlastních elementů zaujímají tělesa rozptýleného disku jiné oblasti než klasický Kuiperův pás (viz Obrázek 2). Oddělený disk: typickým představitelem této populace těles je Sedna. Její dráha je oddělená od Neptunu, nikde se k ní nepřimyká, tudíž se na ni nemohla dostat perturbací Neptunem. Je možné, že se tato tělesa na současné dráhy dostala gravitačním rušením blízkými hvězdami v období, kdy bylo Slunce členem mladé otevřené hvězdokupy. Kentauři: tato tělesa se sice nenacházejí v transneptunické oblasti, jejich dráhy leží mezi drahami velkých planet, původ však mají v oblastech rozptýleného disku (viz Obrázek 3). |
Úvod
Stručně řečeno, model popisuje gravitační interakciGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají. mezi mladými planetami a diskem planetezimál, který je obklopoval. Díky ní docházelo k postupnému narůstání excentricitExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů. a poloos velkých planet (s výjimkou Jupiteru, který se naopak mírně přiblížil ke SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.). Při této pomalé migraci došlo k rezonanciRezonance – vlastnost pohybu dvou těles ve Sluneční soustavě, při které jsou jejich doby oběhu v poměru malých celých čísel. V takovém případě nastává mezi tělesy gravitační vazba (rezonance), která ovlivňuje stabilitu tohoto uspořádání. Rezonance může také nastat v rámci dvou různých pohybů jediného tělesa, zpravidla jeho oběhu kolem Slunce a rotace kolem osy. Pak hovoříme o spinorbitální rezonanci. oběžných dob JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. a SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. v poměru 2:1. Fakt, že se po každých dvou obězích Jupiteru, resp. jednom oběhu Saturnu opakovala tatáž konfigurace dvou největších planet, měl pro dnešní podobu sluneční soustavy dalekosáhlé důsledky. Rezonance „rozkývala“ velké planety natolik, že si dvě vnější planety dokonce „vyměnily“ pořadí. Dráha Neptunu se stala natolik excentrickou, že zasahovala do disku planetezimál. A právě tehdy se začal psát příběh, na jehož konci stojí dnešní komety.
Planetezimály z dynamicky erodovaného disku byly „vystříleny“ na extrémně protáhlé orbity s velikostmi velkých poloos v řádu tisíců i desetitisíců astronomických jednotekAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. Z původního disku planetezimál o odhadované celkové hmotnosti 35 MZ zbyl je zlomek těles, která utvářejí dnešní Kuiperův pásKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto.. Jeho současnou hmotnost odhadujeme na pouhou 0,1 MZ. NeptunNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru. (spolu s ostatními planetami) tedy během migrace rozptýlili více než 99 % původní populace těles.
AfeliumApocentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejdále. Pro Slunce se používá výraz afélium, pro Zemi apogeum, pro Měsíc apoluna, pro Jupiter apojovum, pro Saturn apokronum, pro Mars apoareion a pro hvězdu apoastrum. (odsluní) rozptýlených těles leželo typicky ve vzdálenostech 10 000 až 100 000 AUAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. (pokud se rovnou neocitla na hyperbolických drahách). V těchto vzdálenostech se již pomalu vyrovnává gravitační působení Slunce s gravitací okolních blízkých hvězd a zejména gravitačních slapůSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. (viz Obrázek 1). Jejich prostřednictvím docházelo k cirkularizaci původně protáhlých eliptických drah planetezimál (tento proces popisujeme jako tzv. dynamické tření), které daly vzniknout kulovitému oblaku těles na drahách s velkou poloosou v rozmezí přibližně od 50 000 do 100 000 AU. Tělesa v něm mají víceméně izotropně rozdělené sklony. Existenci tohoto oblaku předpověděl již v polovině minulého století Jan Hendrik Oort (1900–1992). Oortův oblakOortův oblak – také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000 až 100 000 astronomických jednotek od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0 až 90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 Zemí. také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000÷100 000 AU od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0°÷90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 MZ. (jak se od té doby tato struktura nazývá), je zdrojem dlouhoperiodických komet. Kometární jádra zde obíhají po mírně eliptických drahách, ale působením galaktických slapů či gravitačních perturbací hvězd, které náhodně projdou v blízkosti SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., se mohlo dostat opět na vysoce excentrickéExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů. dráhy a zamířit zpět ke Slunci. Oortův oblak ovšem není jediným zdrojem komet. Pojďme si proto krátce shrnout, co o kometárních drahách dnes víme.
Obr. 1: Gravitační zrychlení, udělované tělesu ve vzdálenosti r od Slunce gravitačními slapy galaktické výdutě (červeně), galaktického disku (zeleně) a Sluncem (modře). Ve vzdálenostech r > 200 000 AU již galaktické slapy zcela převládají, ve vzdálenostech r > 50 000 AU jsou již s to v dlouhodobých škálách dráhy planetezimál destabilizovat. Obě osy jsou v logaritmickém měřítku.
Dráhy komet a transportní mechanizmus
V prvním přiblížení bývá zvykem kometyKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu. rozdělovat na „krátkoperiodické“ (s periodou do 200 let) a „dlouhoperiodické“. Je pravda, že toto rozdělení je velmi hrubé a nic neříká o skutečném původu komety – díky přiblížením k planetám a jejich gravitačnímu rušení dráhy (to se týká zejména JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole.) se dráhy i periody komet mění. Daleko přesněji lze komety rozdělit podle hodnoty tzv. Tisserandova parametru Tp. Tato veličina má přímý vztah k tzv. Jacobiho integrálu, což je jediný známý integrál pohybu v restringovaném problému tří těles (jedná se o zobecněnou energii, která v každém okamžiku nabývá stejné hodnoty). Hodnota parametru Tp zůstává (až na okamžiky těsného přiblížení komety k planetě) stále přibližně stejná, nezávisle na velikosti perturbace. Podle hodnoty Tp rozdělujeme komety na ekliptikálníEkliptika – zdánlivá dráha Slunce na obloze. Průsečnice, v níž rovina dráhy Země kolem Slunce protíná světovou sféru. Rovina ekliptiky je rovinou oběžné dráhy Země. a komety s izotropním sklonem.
Mezi ekliptikálními kometami, tj. těmi, které obíhají přibližně v rovině ekliptiky, obecně s malými sklony, dále rozlišujeme komety Jupiterovy rodiny, dále objekty typu Chiron (objekty obíhající mezi drahami Jupiteru a Neptunu) a dále komety typu Encke (obíhají ve vnitřní části sluneční soustavy).
Domníváme se, že komety Jupiterovy rodiny jsou tělesa, která pocházejí z Kuiperova pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto.. Transportní mechanizmus přitom není těžké objevit – podíváme-li se na strukturu současného Kuiperova pásu (Obrázek 2), zjistíme, že tělesa tzv. rozptýleného disku obíhají na drahách, jejichž přísluní leží vždy v blízkosti Neptunovy dráhy. (To je logický důsledek dynamických dějů, které provázely ono „vlétnutí“ Neptunu do planetezimálního disku. Dráhy rozptýlených těles se totiž musí vždy přimykat k dráze perturbujícíhoPerturbace – porucha. Tento pojem je základem perturbačního počtu, při kterém hledáme odchylky od známého řešení v podobě nekonečné řady poruch. Zpravidla se omezíme na několik prvních členů, někdy jen na první člen. Příkladem může být porucha dráhy nějakého tělesa způsobená interakcí s jiným tělesem. tělesa. Je dobré si uvědomit, že obecně platný princip kauzality nedovolí dráze perturbovaného tělesa, aby zcela „odskočilo“ od dráhy perturbující planety.)
Obr. 2: Strukturu těles Kuiperova pásu odhaluje graf vlastních elementů planetezimál. Klasický pás, rezonanční populace a rozptýlený disk jsou pozůstatky dějů, které probíhaly v období migrace planet. Kentauři jsou tělesa rozptýleného disku, která po perturbaci Neptunem putují do vnitřních částí sluneční soustavy, aby se po několika milionech let připojila k rodině Jupiterových komet.
Protože je jednotkový moment hybnosti (vztažený na jednotku hmotnosti) těchto těles větší než jednotkový moment hybnosti NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru., dochází ve většině případů při přiblížení obou těles ke snížení energie planetezimály. Ta proto putuje do vnitřních částí sluneční soustavy, kde však obíhají další planety. Tento „skok“ se proto může ještě znovu opakovat u UranuUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety. a SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. – u JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. však tato tělesa již skončí. Toto putování těles Kuiperova pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto. znázorňuje Obrázek 3.
Obr. 3: Mechanizmus transportu těles Kuiperova pásu do vnitřních částí sluneční soustavy. Těleso rozptýleného disku (modrá dráha) je po těsném přiblížení k Neptunu „vymrštěno“ na oběžnou dráhu s perihelemPericentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejblíže. Pro Slunce se používá výraz perihélium, pro Zemi perigeum, pro Měsíc periluna, pro Jupiter perijovum, pro Saturn perikronum, pro Mars periareion a pro hvězdu periastrum. u Uranu (zelená dráha). Po těsném přiblížení k Uranu se situace opakuje a těleso tak „poskakuje“ až k Jupiteru.
Transport komet z oblastí Kuiperova pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto. (resp. rozptýleného disku) tedy vysvětluje nejen původ komet Jupiterovy rodiny, ale také přítomnost těles „na cestě“ – to jsou právě objekty typu Chiron, tzv. Kentauři. Typická doba transportu transneptunických těles do oblastí dráhy JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. je v řádu jednoho milionu let, populace Kentaurů je tedy nestabilní a pokud by nebyla neustále doplňována tělesy z Kuiperova pásu, nemohli bychom ji vůbec pozorovat.
S druhou kategorií kometKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu., tedy těch, které k nám přicházejí z Oortova oblakuOortův oblak – také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000 až 100 000 astronomických jednotek od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0 až 90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 Zemí. také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000÷100 000 AU od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0°÷90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 MZ., však zřejmě není vše úplně v pořádku. Alespoň si to myslí tým astronomů, vedený H. F. Levisonem, jedním z tvůrců modelu z Nice, který v polovině roku 2010 představil dosti exotickou možnost původu těles Oortova oblaku.
Levison ukazuje na rozpor mezi odhady počtu těles v Oortově oblakuOortův oblak – také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000 až 100 000 astronomických jednotek od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0 až 90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 Zemí. také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000÷100 000 AU od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0°÷90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 MZ. a v rozptýleném disku. Protože populace obou těles spojuje společná minulost, lze z modelu odvodit přibližný poměr velikostí populace rozptýleného disku a Oortova oblaku. Tento poměr je přibližně roven 0,1, tzn. rozptýlený disk by měl obsahovat přibližně 10x méně těles než Oortův oblak.
Dolní mez odhadovaného počtu těles Oortova oblaku s průměrem větším než 1 km je přibližně 4×1011. K této hodnotě lze dospět porovnáním pozorovaného toku „nových“ komet s frekvencí a intenzitou perturbacíPerturbace – porucha. Tento pojem je základem perturbačního počtu, při kterém hledáme odchylky od známého řešení v podobě nekonečné řady poruch. Zpravidla se omezíme na několik prvních členů, někdy jen na první člen. Příkladem může být porucha dráhy nějakého tělesa způsobená interakcí s jiným tělesem. způsobenou galaktickými slapy a blízkými hvězdami. Za předpokladu správného určení poměru mezi tělesy Oortova oblaku a rozptýleného disku by tedy měl rozptýlený disk obsahovat přibližně 4×1011 těles, odhady učiněné z pozorování (za předpokladu obvyklého rozdělení velikostí v populaci) ovšem dávají hodnotu pouhých 6×108 těles, tedy 70× méně, než kolik model předpovídá.
Levisonův tým proto přišel s myšlenkou, že by tělesa Oortova oblaku mohla z velké části pocházet z oblastí mimo sluneční soustavu – z období, kdy bylo SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. součástí mladé otevřené hvězdokupyOtevřená hvězdokupa – fyzikálně příbuzná skupina hvězd, která drží pohromadě gravitační přitažlivostí a má společný původ. Většina hvězd se vytvořila ze stejné mlhoviny, a tak mají podobné počáteční chemické složení. Otevřená hvězdokupa může mít desítky až desítky tisíc jedinců. Na rozdíl od kulové hvězdokupy zpravidla nevykazuje otevřená hvězdokupa kulové prostorové uspořádání., a kdy mohlo do svého Oortova oblaku díky chaotickým pohybům planetezimálPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami. mezi těsnou formací hvězd „nachytat“ planetezimály, jež původně vznikly u jiných hvězd.
Procento komet z rozptýleného disku jedné hvězdy, které se zachytilo u ostatních hvězd na orbitách podobných drahám komet v Oortově oblaku. Barevné křivky představují simulace hvězdokup s různým obsahem mezihvězdného plynu (červená nejvíce, modrá nejméně. Obrázky a), b) a c) ukazují výsledku pro různé počáteční konfigurace hvězdokupy (počet hvězd N a průměr Rc).
Numerické simulace
Pro ověření pravděpodobnosti takového scénáře bylo provedeno několik simulací dynamického vývoje mladých hvězdokup o průměru od 0,3 do 1 pcParsek – pc, paralaktická sekunda, astronomická jednotka vzdálenosti. Jde o vzdálenost, ze které je vidět střední vzdálenost Země-Slunce (jedna astronomická jednotka) pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Měří se kolmo k zornému paprsku. Číselně je 1 pc = 30×1012 km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc)., které obsahovaly 30 až 300 mladých hvězd. Kolem každé hvězdy byl vytvořen rozptýlený disk 100 planetezimálPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami. s drahami o velikosti velké poloosy v rozmezí 1 000 až 5 000 AUAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. V modelu bylo také uvažováno s přítomností mezihvězdného plynu, který byl po době 3 miliony let od počátku integrace vypuzen hvězdným větrem mimo hvězdokupu. Integrace pokračovala do doby, než střední vzdálenost mezi hvězdami narostla na 500 000 AU, tj. pětinásobek poloměru Oortova oblakuOortův oblak – také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000 až 100 000 astronomických jednotek od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0 až 90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 Zemí. také Oortovo-Öpikovo mračno. Jedná se o jakousi zásobárnu kometárních jader, která se nachází ve vzdálenosti zhruba 20 000÷100 000 AU od Slunce. Obsahuje velké množství nepravidelných těles s drahami o sklonech v rozmezí 0°÷90°. Jedná se většinou o slepence zmrzlých plynů, vodního ledu a úlomků hornin, které se dostávají do blízkosti Slunce vlivem gravitačních poruch. Jejich počet se odhaduje na jeden bilión při celkové hmotnosti do 10 MZ.. Do této fáze dospěla integrace typicky v časové škále 10 až 50 milionů let. Po ukončení simulace byl spočítán poměr těles, která se z rozptýleného disku mateřské hvězdy dostala na typicky „oortovské“ dráhy u cizí hvězdy. Výsledek vidíme na Obrázku 4. Na jedné straně je patrné, že přibližně u 20 % hvězd se žádná taková tělesa nezachytila, na druhou stranu se u všech hvězd zachytilo až 26 % procent těles jednoho rozptýleného disku. Přitom byly pozorovány dva typy záchytů:
- náhodné zachycení, ke kterému došlo ve chvíli, kdy se těsná konfigurace hvězd počala rozptylovat. Do té doby se planetezimály víceméně náhodně pohybovaly po celé hvězdokupě, jak je patrné z Obrázku 5.
- přímý transport, ke kterému došlo během těsného průletu dvou hvězd. Tímto způsobem byl pozorován transport až 19 % populace rozptýleného disku hvězdy A do Oortova oblaku hvězdy B.
Struktura otevřené hvězdokupy v čase t < 3×106 let. Hvězdy jsou vyznačeny žlutě, komety zeleně. Modře vyznačené komety se na konci integrace nacházely v Oortově oblaku červeně vyznačené hvězdy. Je patrné, že dokud je hvězdokupa kompaktní, jsou komety rozptýleny po celé hvězdokupě na chaotických (nekeplerovských) drahách.
Nyní nastala nejproblematičtější část konstrukce hypotézy – odhad množství těles, která mohla utvářet typický rozptýlený disk hvězdy. V případě našeho Slunce lze dospět k odhadu kolem 2×1013 planetezimál. Pokud je tento odhad správný, znamenalo by to, že typický Oortův oblak může obsahovat toto množství planetezimál, násobené účinností přenosu z rozptýleného disku cizí hvězdy. Pro výše uvedený odhad množství komet v Oortově oblaku vychází koeficient 0,03, což, jak ukazuje obrázek 4, není vůbec nereálné. Za předpokladu, že jsou uvedené předpoklady správné, dospíváme k fantastickému závěru, že až 90 % těles Oortova oblaku ve skutečnosti může pocházet z oblastí mimo sluneční soustavu!
Odkazy
