Hvad ville ske, hvis en superjord fik plads i vores solsystem?

Computersimulationer er ikke bare leg, for netop den type simulationer kan lære os en hel masse om, hvor stabilt vores solsystem er.

Jorden har i milliarder af år haft en stabil bane og dermed et nogenlunde stabilt klima – og det er jo forudsætningen for, at livet har kunnet opstå og udvikle sig.

Problemet er blevet aktuelt, fordi vi nu kender mange andre planetsystemer end vores eget solsystem. De er meget forskellige, og det er bestemt ikke i dem alle, at en planet som Jorden kan eksistere i fred i milliarder af år- for det afhænger af, hvilke naboer man har.

Sammenligner vi vores solsystem med andre planetsystemer, så mangler vi noget – nemlig en eller flere såkaldte 'superjorde'.

Superjorde er planeter, der er større end Jorden og mindre end Neptun, og det ser ud til, at denne type planeter er den mest almindelige i universet, da hver tredje exoplanet - planeter, der kredser om en anden sol end vores - er af denne type.

Man har længe diskuteret, om superjorde kan være beboelige, men nu viser et nyt studie, at det kan være farligt at være nabo til en sådan planet, især hvis man bor på en lille planet som Jorden.

En computersimulation viser problemerne

En superjord har typisk en diameter på 1,5-2 gange Jordens diameter og en masse på 2-10 gange Jordens masse. Man regner med, at de har et indre som Jorden af metal og klippe. De kan have dybe oceaner, og på grund af deres tyngdekraft også meget tætte atmosfærer.

I vores solsystem har vi de fire små indre planeter af metal og klippe, nemlig Merkur, Venus, Jorden og Mars, og så de fire meget større ydre planeter af gas og is, nemlig Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun, men altså ingen superjorde.

Til gengæld har vi et bredt område i Solsystemet mellem Mars og Jupiter, hvor der er tusinder af asteroider, men ingen planeter.

Da vi nu ikke har en superjord, kunne vi jo prøve at skabe en på computeren, og det er netop, hvad et hold forskere under ledelse af professor Stephen Kane fra University of California, Riverside (UCR) har gjort. De har simuleret udviklingen af vores solsystem, hvis der havde været en superjord i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter.

Der blev udført tusinder af simulationer, hvor afstanden til Solen gradvist blev forøget, ligesom man også ændrede massen af superjorden systematisk fra 2 til 10 gange Jordens masse. Hver simulation fulgte så, hvad der skete med vores solsystem 10 millioner år frem.

En superjord er nok meget mindre end Jupiter, men alligevel stor nok til at puffe en lille smule til Jupiter, der med en masse på 318 jordmasser er Solsystemets største planet. Og selv små skub til Jupiter kan have ganske katastrofale konsekvenser for hele det indre solsystem.

Der er nemlig en lang række kombinationer af masse og bane for den simulerede planet, der kan føre til, at banerne for Merkur, Venus, Jorden og Mars bliver ustabile. I værste tilfælde kan der ske det, at de slynges helt ud af vores solsystem. Der kunne også ske det, at selv de fjerne planeter Uranus og Neptun blev påvirket så meget, at de også kunne finde på at stikke af.

Men selv mindre forstyrrelser kan være katastrofale for Jorden. Der behøver såmænd ikke at ske andet, end at Jorden får en mere aflang bane, og det vil give en så stor forskel mellem sommer og vinter, at klimaet bliver ganske umuligt for os.

I simulationerne angives alle afstande i astronomiske enheder, normalt forkortet til AE. En AE er Jordens afstand til Solen, omkring 150 millioner km. Til sammenligning har Venus en afstand på 0,7 AE fra Solen, Mars en afstand på 1,5 AE, mens Jupiter befinder sig hele 5,2 AE fra Solen. Langt det meste af asteroidebæltet befinder sig mellem 2 og 4 AE fra Solen.

Som eksempel kan nævnes, hvad der skete, da en planet med en masse på 7 gange Jordens masse blev placeret i en bane 2 AE fra Solen, altså lidt uden for Marsbanen.

Simuleringen viste, at alle fire indre planeters kredsløb blev ustabile. Jordens og Venus' baner blev så aflange at de havde »katastrofale nærmøder«.

Ændringen af banerne for Jorden og Venus overførte energi til Merkur, som brugte energien til helt at forlade Solsystemet. Efter bare fem millioner år forsvandt Mars, og der var ikke gået mere end 8 millioner år, før også Jorden og Venus sagde farvel til Solsystemet.

Endnu værre gik det, da superjorden fra før blev placeret i en bane 3,8 AE fra Solen. Både Jupiter og Saturn blev nu påvirket på en meget speciel måde, idet der opstod såkaldt resonans, og det førte i dette tilfælde til en større katastrofe. Man taler om resonans, når omløbstiderne for to planeter har et forhold, der kan udtrykkes ved en simpel brøk, og de kan være både farlige og ufarlige.

Resonanser kan have mange konsekvenser

Her i Solsystemet har vi flere eksempler på resonans. En af de meget kendte er 2:3 resonansen mellem Pluto og Neptun. Hver gang Pluto har foretaget to omløb om Solen, har Neptun foretaget tre omløb. I dette tilfælde har resonansen stabiliseret Plutos bane.

Pluto har en lidt aflang bane, og hver gang den er tæt på Solen, og dermed tæt på Neptuns bane, så er Neptun pænt lagt væk Det betyder, at Neptun ikke sparker Pluto ud af Solsystemet.

Vi har også eksempler på destruktive resonanser.

Her kan nævnes de såkaldte Kirkwood Gaps i asteroidebæltet. Der er tusinder af asteroider i næsten alle mulige baner, men der er nogle baner, som er tomme. Det er resonansbaner, forstået på den måde, at en asteroide i en sådan bane vil have en omløbstid i forhold til Jupiter udtrykt ved brøkerne 4:1, 3:1, 5:2, 7:3 og 2:1. I en 5:2 bane vil asteroiden gennemføre fem omløb, hver gang Jupiter gennemfører to omløb.

Hvis en asteroide var i et Kirkwood Gab, ville den gentagne gange komme tæt på mægtige Jupiter, med det resultat at banen ville blive mere og mere aflang, lige til asteroiden fik sparket og røg helt ud.

For nu at vende tilbage til simulationen. En superjord i en afstand på 3,8 AE fra Solen ville ende i en 8:5 resonans med Jupiter og en 4:1 resonans med Saturn – og det får konsekvenser.

Både Jupiter og Saturn vil gradvist få mere aflange baner med det resultat, at først smides superjorden
ud af Solsystemet, så Uranus og til sidst Mars.

Som professor Stephen Kane har sagt til space.com: »Det, der overraskede mig mest i undersøgelsen, var,
hvor følsomt Solsystemet er over for Jupiters resonanser.«

Har vi været heldige?

Vi er måske meget heldige at bo i et solsystem, hvor Jorden kan have en stabil bane, uden at tyngdekraften fra en eller flere superjorde i nærheden giver os problemer.

For sammenligner vi med andre planetsystemer, er det ganske almindeligt at finde superjorde meget tæt på deres stjerner, i det område som i vores solsystem befinder sig mellem Solen og Merkur.

Som vi har set, er det nok heldigt, at vi ikke har sådanne planeter tæt på Solen, for de ville sandsynligvis med deres tyngdekraft have givet Jorden enten en meget ustabil bane eller en meget aflang bane med de problemer, det giver for klimaet.

Man har ikke det endelige svar, men meget tyder på, at manglen på superjorde hænger på nogle tilfældigheder, i den måde Solsystemet har udviklet sig.

Alle moderne modeller for udviklingen af planetsystemer bygger på det begreb, der hedder migration. Det betyder, at de baner, planeterne har i dag, ikke nødvendigvis er de samme baner, som de havde, da de blev dannet for 4,5 milliarder år siden.

Planeter, især store planeter, har en ganske stærk tyngdekraft og kan derfor påvirke andre planeter, som er tæt på.

Uden at gå i detaljer viser modellerne, at især de fire store gasplaneter i vores solsystem har flyttet sig ganske meget og nogle gange på overraskende måder.

Særlig kendt er ’Grand Tack-modellen’ hvor Jupiter bevægede sig indad i Solsystemet mod Marsbanen, men så vendte om og rykkede udad igen på grund af tyngdekraften fra Saturn.

Og var Jupiter ikke vendt om og rejst ud til sin nuværende afstand på 5,5 AE, ja, så havde vi helt sikkert ikke været her. Med Jupiter tæt på Solen, var Jorden for længe siden sparket ud af Solsystemet.

Hvis planetsystemer i al almindelighed dannes på denne måde, så forklarer det, hvorfor der findes så mange forskellige typer af planetsystemer.

Vores solsystem har de små planeter inderst og de store yderst, men der kendes også planetsystemer, hvor de store planeter er inderst og de små yderst, samt systemer, hvor alle planeterne er omtrent lige store.

Der er nemlig et element af kaos og tilfældighed i den måde, migration foregår, så der er ikke bare én bestemt slags planetsystem, men mange typer.

Vi har vist været usædvanligt heldige, at en lille planet som Jorden har kunnet være i fred.