Planetdrift: Ny teori förklarar de märkliga banorna runt solen

Vårt planetsystem är konstigt på många sätt. Se till exempel på Jupiters och Saturnus banor. De är förbryllande elliptiska, i stället för cirkelrunda. Avvikelsen är inte stor, men tillräckligt betydande för att tas på allvar. Från början bör banorna ha varit mycket mer cirkelrunda, så något måste ha stört dem. Men inga andra planeter, inte ens Uranus och Neptunus, är massiva nog för att orka påverka banorna tillräckligt med sin gravitation.

En möjlighet är att Jupiter och Saturnus ordnade saken själva genom att störa varandras banor. Men banorna är stabila. Hur långt bakåt i tiden man än räknar, så är jätteplaneternas banrörelser som ett kosmiskt urverk, det snurrar och svänger hela tiden med samma frekvenser. Här har vi astronomer länge tyckt att vi kommit till vägs ände, och inte sett någon lösning på problemet.

Räddningen kom nyligen när vi började förstå en märklig mekanism: myriader av småkroppar i samklang, som asteroider och kometer, kan rucka till och med de tyngsta planeterna ur kurs. Varje småkropp är i sig själv alldeles för liten för att någon effekt ska märkas. Men miljarder och åter miljarder kroppar kan göra jobbet ifall de tillsammans väger tillräckligt mycket och passerar planeten regelbundet under tillräckligt lång tid. Då kan den totala rekylen få planetbanan att flytta på sig. Vi säger att planeten migrerar inåt eller utåt i förhållande till solen.

I våra dagars solsystem migrerar inga planeter – asteroiderna och kometerna är inte tillräckligt många. Men när solsystemet var ungt fanns det oerhört många fler småkroppar. De brukar kal­las planetesimaler, eftersom de normalt skulle ha slutat sina dagar som byggstenar i de framväxande planeterna. Vi kan bara gissa deras antal, men det mesta tyder på att de svarade för en mycket stor massa. Och de bör allt som oftast ha kommit i jätteplaneternas närhet.

Alltså är det naturligt att tänka sig att de unga jätteplaneterna migrerade, och att de olika planeterna kan ha migrerat olika fort vilket påverkade avstånden mellan dem. Däremot fortsatte planetbanorna att vara så gott som cirkelrunda.

Och då, tänker vi oss, kan Jupiter och Saturnus ha hamnat i så kallad resonans. Det innebär att deras omloppstider runt solen är samordnade, till exempel att Saturnus har exakt dubbelt så lång omloppstid som Jupiter. De störningar de då orsakar på varandras banor kan få de runda banorna att omformas till elliptiska.

Hur gick det då för Uranus och Neptunus, jätteplaneterna längst bort från solen? Även här måste vi ta till planetmigration för att förstå deras ursprung.

Liksom Jupiter och Saturnus bildades de två yttersta planeterna i solsystemets tidigaste barndom i en omgivning fylld av gas – den så kallade solnebulosan. Troligen byggde små stenkroppar, planetesimaler, upp stora protoplaneter som sedan med sin gravitation sög till sig gas från omgivningen. Denna gas bestod nästan enbart av väte och helium – precis som gasen i solen och andra vanliga stjärnor.

Men medan Jupiter består till långt över 90 procent av väte och helium, är dessa ämnen blott en mindre beståndsdel i Uranus och Neptunus. Det kan hänga samman med att det tog längre tid att klara bygget av stora protoplaneter på större avstånd från solen där Uranus och Neptunus håller till.

Observationer av protostjärnor i Vintergatan visar att deras omgivande gasskivor, stjärnnebulosor, löses upp och försvinner efter högst några miljoner år, och vi tror inte att solnebulosan kan ha varit särskilt annorlunda. Alltså kan det hända att gasen höll på att ta slut när kärnorna i Uranus och Neptunus hade växt färdigt, och detta kan förklara deras relativt låga gashalter.

Problemet är att denna förklaring inte håller, ifall dessa yttre jättar verkligen bildades på de mycket stora avstånd från solen där de nu håller till. Där fanns det ingen chans att hinna bygga de stora planetkärnorna i tid, innan solnebulosan försvann. Så Uranus och Neptunus borde inte innehålla något väte och helium alls. Att de trots allt gör det tolkas som att de bildades närmare solen och sedan migrerade utåt. Således kan planetmigrationen lösa även denna kniviga gåta.

Men ett nytt svårt problem yppade sig i och med att allt fler exoplaneter – planeter kring andra stjärnor – upptäcktes mot slutet av 1990-talet. Vi vill ju gärna tro att det ska finnas något gemensamt mellan vårt solsystem och dem som observeras där ute i Vintergatan. Därför var det inte utan frustration vi såg att exoplaneterna ofta har banor kring sina moderstjärnor som är totalt främmande för vårt solsystem.

Dels är banorna oftast betydligt mer elliptiska än hos våra jätteplaneter. Dels finns det många exoplaneter av Jupiters storlek eller ännu större, som rusar runt sina solar med ett varv på några få dygn. De är så nära sin stjärna att de formligen steks och löses upp av hettan – en kosmisk dödsdans, som det verkar. Inte ens Merkurius solstekta sida kommer i närheten av sådana förhållanden. Våra jätteplaneter, däremot, håller till på mycket större avstånd: Jupiters omloppstid kring solen är cirka tolv år.

Är då vårt solsystem ett konstigt undantag och inte alls normalt? Kanske är även livet på jorden så märkvärdigt att det inte har någon motsvarighet på andra håll i vår galax. Det är oroande frågor, men inte heller här förblev teoretikerna svarslösa. Och återigen är svaret planetmigration.

Den skedde i en ansamlingsskiva, en snurrande gasskiva, där gasen sakta strömmar inåt och samlar ihop sig till en stjärna. Solnebulosan var just en sådan skiva.

Om en jätteplanet bildas i en ansamlingsskiva, rensar den undan all gas från området kring sin egen bana, och det bildas en lucka i skivan. Planeten påverkas nu av gravitationen från gasen på både insidan och utsidan av luckan och har fullt sjå att hålla sig på plats. Om gasen strömmar inåt, måste planeten och luckan driva med, och denna migration kan leda ända in i stjärnans absoluta närhet.

Det är vad vi tror att många exoplaneter har upplevt. Men varför hände det inte hos oss, i solnebulosan? Något speciellt, men kanske inte extremt ovanligt, måste ha stoppat den naturliga migrationen.

En möjlig förklaring dök upp när man studerade vad som händer ifall ansamlingsskivan innehåller två jätteplaneter och inte bara en. Om den yttre planeten har mindre massa än den inre, migrerar den snabbare inåt och närmar sig den inre planeten utifrån. Då är det troligt att den stannar av när den hamnar i en enkel resonans, som 2:3-resonansen – den yttre planeten gör två varv kring solen på samma tid som den inre planeten gör tre. Deras luckor överlappar och två planeter i inbördes resonans rör sig i en enda, mycket bred och komplicerad lucka. Då stoppas också migrationen och kan till och med byta riktning, så att planetparet börjar vandra utåt i stället för inåt.

Det är just vad som förmodligen hände i vårt solsystem, där den lättare Saturnus mycket riktigt går i en bana utanför den tyngre Jupiter. Däremot, när stoppmekanismen inte fungerar, som hos de nyfunna exoplaneterna, hamnar planeterna farligt nära sina moderstjärnor, så som vi observerar hos många exoplaneter.

Egentligen är vårt solsystem ännu mer komplicerat, eftersom vi har fyra jätteplaneter och inte bara två. Det har visat sig att alla de fyra jättarna bör ha hamnat i ömsesidiga resonanser av typen 2:3 eller 3:4 innan solnebulosan löstes upp, gasen försvann och planeterna var färdigbyggda. Alltså låg banorna farligt nära varandra.

Vad skulle hända med sådana planetsystem, om de utvecklades utan omgivande gas? Beräkningarna visar att de flesta då blir våldsamt instabila och snabbt går mot katastrofer. Jupiter och Saturnus skulle till exempel ha hamnat i närkamp och med sin starka gravitation slungat varandra in i mycket avlånga banor. Så våldsamt har det nog gått till för flertalet av exoplaneterna, vilket förklarar deras elliptiska banor. Men tursamt nog tillhörde solsystemet den stabila minoriteten, när slumpen spelade sitt spel.

Hur gick det då egentligen till, när det unga solsystemet med sina jätteplaneter utvecklades till det vi ser i dag? Från början låg banorna mycket närmare varandra, och vi har sett att Uranus och Neptunus måste ha gett sig i väg utåt, och också att Jupiter och Saturnus måste ha passerat genom en epok med ömsesidig resonans.

En förklaringsmodell till allt detta publicerades för första gången 2005 och har fått ett entusiastiskt mottagande i forskarvärlden. Den kallas Nicemodellen, eftersom arbetet gjordes vid observatoriet i Nice på franska Rivieran.

Historien börjar när solnebulosan skingras. Jätteplaneterna ligger i resonanta banor och ett stycke bortom den yttersta planeten vidtar en skiva av mindre rymdkroppar, planetesimaler och protoplaneter, men ingen mer stor planet. Varje enskild kropp kretsar kring solen i en cirkelrund bana. Den totala massan i denna skiva är imponerande – kanske mer än femtio gånger jordens massa.

Utvecklingen som följer är till en början mycket långsam. Störningarna från planeterna får banorna hos de innersta planetesimalerna att ändras, så att de sakta, en efter en, närmar sig den yttersta planeten. Låt oss kalla den Neptunus, även om det kan hända att det var samma kropp som vi nu känner som Uranus. I och med detta startar den planetmigration vi redan har talat om. Så följer ett kosmiskt bollspel, där planeterna kastar planetesimaler mellan sig.

När bollarna kommer utifrån till Neptunus, fångar planeten in dem i banor innanför sin egen och får då själv en omärkbar liten knuff utåt. Men sedan kommer nästa närpassage, och nästa, och nästa … Bollarna slängs ömsevis inåt och utåt, och detta jonglerande måste få ett slut för att något definitivt ska hända. Slutet för en planetesimal skulle kunna vara att den slängs ut från solsystemet och aldrig kommer tillbaka. Fast Neptunus är inte stor nog för att klara detta. Snarare möter planetesimalbollen sitt öde på insidan, när den närmar sig Uranus.

Sålunda spelar Neptunus rollen av en flyttjobbare, som langar planetesimaler från den yttre skivan in till Uranus. Som resultat av detta migrerar den utåt. Men även Uranus spelar en liknande roll. Den langar planetesimaler vidare till Saturnus och migrerar utåt även den. Saturnus är mycket större, men inte heller den förmår slänga bort de flesta planetesimalerna, utan de når in till Jupiter. Nu står Jupiter sist i langningskedjan, det finns ingen mer jätteplanet att langa till. Men det är inget problem, Jupiter är stor och tung och har ingen svårighet att kasta ut alla planetesimalerna bortom solsystemets gränser. Därför migrerar den inåt, i riktning mot solen, tvärtemot de andra planeterna.

Följaktligen driver jätteplaneternas banor isär, men mycket sakta. Hundratals miljoner år kan gå utan att någon större skillnad märks, fast planeterna har lämnat de resonanser som de befann sig i från början. Nu driver de mot nya resonanser, och där väntar obönhörligen en katastrof. När Jupiter och Saturnus når 3:5-resonansen, där Saturnus går tre varv kring solen medan Jupiter går fem, blir deras banor märkbart elliptiska – ungefär som de är i dag. Detta leder i sin tur till att Uranus och Neptunus får än mer elliptiska banor, och dessa två jättar drivs in i närpassager med varandra.

Nu är systemet totalt instabilt och nästan vad som helst hända. Men det planetära biljardspel som följde har bragt solsystemet in i dagens stabila läge. När Neptunus kom i närheten av Saturnus langades den in mot Jupiter ungefär som de tidigare planetesimalerna. Därigenom knuffades Saturnus bana utåt. Men närpassager med Jupiter ledde till att Neptunus parkerades i en ny bana, som sträckte sig mycket längre bort från solen än den är i dag. Alltså knuffades Jupiters bana inåt.

Samtidigt som Jupiter och Saturnus på kort tid hoppade in i närheten av sina nuvarande lägen, slängdes Uranus och Neptunus ut i den omgivande planetesimalskivan och skingrade den med sin gravitation. Hela solsystemet blev som det är i dag. Merkurius, Venus, jorden och Mars fick sina nuvarande banor, och asteroidbältet mellan Jupiter och Mars fick den struktur vi kan se. Likaså Pluto och alla dess miljarder gelikar, de så kallade transneptunerna som befolkar rymden bortom Neptunus bana. Det enda som fortfarande är oklart är om även Oorts kometmoln i utkanten av solsystemet kan ha uppstått i och med att planetesimalskivan upplöstes.

Historien om hur solen fick sina planeter skulle kunna sluta här. Men ännu ett kapitel återstår. Var kom det livgivande vattnet ifrån? Vi vet att månen för nästan fyra miljarder år sedan bombarderades våldsamt av små och stora himlakroppar. Därför är det mesta av ytan, utom månhaven, täckt av kratrar. Själva haven är inget annat än lavaslätter formade av magma som har vällt upp i jättelika urgröpningar orsakade av de största nedslagen. Denna härjningstid inträffade cirka 600 miljoner år efter att månen bildades och kallas därför för det sena, stora bombardemanget.

Mycket tyder på att tiden närmast före var relativt lugn. Men plötsligt bröt helvetet ut. Varför? Orsaken var länge höljd i dunkel, men Nicemodellen kom med en förklaring. Det kunde mycket väl ha tagit 600 miljoner år från tiden då det ursprungliga planetsystemet steg fram ur den försvinnande solnebulosan tills Jupiter och Saturnus nådde fram till sin 3:5-resonans.

När denna resonans ledde till upplösningen av planetesimalskivan och flera tiotal jordmassor av småkroppar släpptes loss som herrelösa hundar genom solsystemet, bör månen ha träffats så många gånger som vi ser på dess ärriga yta. I själva verket ger månytan oss bevis för den explosiva utveckling av solsystemet som Nicemodellen förutsäger.

Inte bara månen bombarderades hårt under den tiden utan i än högre grad jorden. Här har dock spåren i stort sett suddats ut. Med de isiga projektilerna fick jorden en hel del extra vatten, även om det inte torde räcka för att fylla oceanerna.

Mars var än mer illa ute, och vi vet redan att vatten strömmade och forsade på dess yta vid tiden för det sena, stora bombardemanget. Kan vi nu med Nicemodellen se förklaringen till denna märkliga episod i Mars historia? Ingen vet, men så småningom hoppas vi kunna skriva ännu ett kapitel i denna sällsamma historia.