Naše Sluneční soustava byla během svého vývoje divočejší, než si astronomové ještě před dvaceti lety mysleli, ukazuje téměř detektivní pátrání vědců. Planety nevznikly na svých současných drahách, ale musely si své místo „vybojovat“. Zdá se, že jednu obří planetu o velikosti Neptunu dokonce fyzikální síly „vyvrhly“ mimo Sluneční soustavu. „Je také možné, že jedna planeta obíhá ve velké vzdálenosti od Slunce a my jsme ji ještě neobjevili,“ říká astronom David Vokrouhlický, který za výzkum Sluneční soustavy získal nominaci na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Nejdřív náhled do vesmírného „kalendáře“: Před asi 13,8 miliardami let vznikl, pravděpodobně při takzvaném velkém třesku, náš vesmír. Současná fyzika okolnosti jeho vzniku ještě nedokáže s jistotou popsat, vesmír tady nicméně opravdu je a my v něm žijeme. Z jeho původní subatomární struktury, později transformované do směsi záření a nejlehčích prvků vodíku a hélia, se postupně vytvořily hvězdy. Než vzniklo naše Slunce, vystřídalo se ve vesmíru hned několik generací hvězd.
V atmosférách chladnějších hvězd vznikala prachová zrnka, později vyvržená do mezihvězdného prostoru. Tím se mezihvězdná plynná mračna postupně obohacovala o pevnou složku.
Před asi 4,5 miliardami let pak vznikla naše Sluneční soustava kolapsem rozsáhlého mezihvězdného mračna plynu a prachu, které se začalo vlastní gravitací smršťovat a hroutit do sebe. Vznikala v něm místa s vyšší hustotou, ze kterých se rodily jednotlivé hvězdy. Jednou z nich bylo i naše Slunce, vnořené do zárodečné hvězdokupy, kterou po několika milionech až desítkách milionů let opustilo. Vydalo se tak osamoceno, ale obklopeno vlastní planetární soustavou, na pouť Galaxií.
Zrození planet trvalo až desítky milionů let
Kolapsem materiálu kolem rodícího se Slunce vznikl plochý útvar – protoplanetární mlhovina ve tvaru disku v rovině rotace naší hvězdy. Drobná prachová zrnka v disku se začala vzájemně srážet a spojovat. Tento proces probíhal v době, kdy ve Sluneční soustavě bylo ještě významné množství plynu. Z mikroskopických zrnek vznikaly milimetrové útvary, pak větší oblázky a balvany, které byly nakonec – v důsledku procesů objasněných až v posledních desetiletích – zabudovány do planetesimál (těles o velikostech desítek až stovek kilometrů).
Obří planety Jupiter, Saturn, Uran a Neptun musely vzniknout „rychle“, během prvních asi tří až pěti milionů let po vzniku Slunce, aby do sebe svou gravitací stihly nasát okolní plyn z protoplanetární mlhoviny. Pak jej totiž intenzivní proud částic ze Slunce (kterému poeticky říkáme sluneční vítr, nicméně v rané fázi vývoje Sluneční soustavy šlo o skutečnou vichřici) „odfoukl“ do vzdálenějšího vesmíru. Roli mohly hrát i okolní hvězdy zárodečné hvězdokupy, které svým intenzivním ozařováním narušovaly plynnou komponentu protoplanetární mlhoviny zvnějšku.
Postupným spojováním planetesimál pak vznikly kamenné (terestrické) planety Merkur, Venuše, Země a Mars. Tento proces probíhal po desítky milionů let a byl svědkem srážek gigantických rozměrů. Při jedné z nich do formující se Země narazilo těleso velké téměř jako planeta Mars a dalo popud vzniku našeho Měsíce. Při jiné Mars přišel o podstatnou část kůry své severní polokoule.
„Stopy a přibližné datování těchto událostí se vědě podařilo určit díky analýze izotopů v drobných pevných zrnech a jiného materiálu v meteoritech, které dopadly na Zemi. Zmíněná zrna se považují za první pevný materiál v naší Sluneční soustavě,“ popisuje David Vokrouhlický, profesor astronomie Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze a bývalý ředitel jejího Astronomického ústavu.
Tvrdá kosmická čistka
Ale to není zdaleka všechno z itineráře vzniku naší planetární soustavy, v níž probíhala tvrdá čistka. Slunce a také planety, zejména ty obří, svou gravitací a následnými srážkami pohltily přes 90 procent pevného materiálu, který jejich vznik doprovázel. Část tohoto materiálu byla obřími planetami vyvržena na samý okraj Sluneční soustavy nebo zcela mimo ni.
„To, co zůstalo, například pás asteroidů mezi Marsem a Jupiterem nebo množství těles za dráhou Neptunu uspořádaných do několika struktur, je pouze nepatrným zlomkem hmoty, která mezi planetami ve Sluneční soustavě dříve existovala,“ uvádí David Vokrouhlický, který se malými tělesy Sluneční soustavy dlouhodobě zabývá.
I takto malé množství hmoty však překvapivě ovlivnilo život již existujících planet, které přimělo projít doslova šokovým vývojem. Ještě ve 20. století vědci předpokládali, že planety vznikly na svých současných drahách. Jejich stabilita se dokonce stala učencům konce 18. století příkladem dokonalosti a neměnnosti vesmírného soustrojí. „Objevy posledních dvou desetiletí, na nichž se též podílíme, však ukazují, že opak je pravdou a obří planety po rozplynutí protoplanetární mlhoviny ještě čekalo velice chaotické a dramatické období,“ popisuje profesor Vokrouhlický.
Dráhy obřích planet se původně nacházely poměrně blízko jedna druhé v řetězci, který se vyznačoval vzájemnou rezonanční vazbou. Jakmile vliv plynu prvotní mlhoviny vymizel, konfigurace obřích planet se začala pomalu rozvolňovat. Neptun, nejvzdálenější z planet, svou drahou stále více zasahoval do oblasti vnějšího pásu zbylých planetesimál. Trvalo jen zhruba deset milionů let, než to spustilo lavinu, kdy se i do oblasti vnitřních planet valilo stále více těles z okraje Sluneční soustavy. Během relativně krátkého období asi milionu let se dráhy všech obřích planet prudce měnily, svou gravitací se doslova „postrkovaly“.
Výpočty dokonce ukazují, že rodina obřích planet s vysokou pravděpodobností obsahovala o jednu navíc. Zřejmě šlo o těleso podobné Uranu či Neptunu kroužící kolem Slunce mezi Saturnem a Uranem. Při zmíněné planetární tlačenici však tato planeta dostala od Jupiteru takový gravitační šťouchanec, že Sluneční soustavu navždy opustila a unikla do vzdálených končin Galaxie. Doplnila tak početnou skupinu vyděděnců – planet volně plujících Galaxií bez vazby na své mateřské hvězdy (dnes astronomie začíná tuto podivuhodnou populaci objevovat). Teprve když planety rozmetaly dostatečné množství okolních planetesimál, se vše postupně uklidnilo a planety zaparkovaly na své dnes už neměnné dráhy.
Matematická detektivka
Není ale to vše pouhé blouznění či noční můra astronomů uzavřených do říše svých teorií? V poslední době se zdá že ne a právě na těchto nových poznatcích profesor Vokrouhlický se svými kolegy pracoval a pomáhal je formulovat mimo jiné i v rámci projektu financovaného Grantovou agenturou ČR. Jak vědci k těmto závěrům dospěli?
„Je to vlastně taková matematická detektivka,“ říká David Vokrouhlický. „Musíme se spoléhat na stopy, které v soustavě zbyly dodnes. Tedy na dráhy planet a hlavně na dráhy malých kosmických objektů, měsíců planet, asteroidů a komet. Pomocí matematických modelů zjišťujeme, jaké mají uspořádání a jak se na ně mohly dostat. To pak porovnáváme s předpověďmi rozličných scénářů vývoje celé planetární soustavy. Počínaje tím klidovým, kdy planety lenivě kroužily kolem Slunce jen po svých současných drahách, až po ten bouřlivý, kdy se soustava planet během méně než milionu let překotně rekonfigurovala z velmi kompaktní na velmi rozvolněnou.“
Sítem srovnání s architekturou dnes pozorovaných populací malých těles ve Sluneční soustavě postupně neprošly mnohé modely, až zůstala hypotéza nejbouřlivější. Jen tento model kupříkladu uspokojivě vysvětluje, proč mají všechny obří planety velmi podobné populace vzdálených měsíců, jejichž roviny drah nejeví žádný vztah ke společné rovině pohybu planet.
„Tento model také umožňuje pochopit dráhy souputníků Jupiteru, tedy menších objektů, které se pohybují po stejné oběžné dráze, ale nesrazí se s ním, takzvaných Trojanů. Jsou totiž neobvykle skloněny k dráze své řídící planety. A stejný model nám rovněž dovoluje propočítat, kolik planetesimál zrozených až za drahou Neptunu bylo předurčeno přemístit se na dráhy podobné asteroidům, tedy mezi Mars a Jupiter,“ vysvětluje profesor Vokrouhlický indicie, které jeho i další vědce vedly k vytvoření nového modelu vývoje Sluneční soustavy.
Obíhá naše Slunce dosud neznámá planeta?
Při zdánlivé ustálenosti dnešních názorů na vývoj drah obřích planet dosažené za poslední desetiletí však vědci vědí, že za každým rohem se může skrývat háček, který dokáže způsobit puklinu i v těch nejatraktivnějších teoriích. Tím spíše, že mnohé předpovědi modelů vývoje obřích planet se týkají populací Slunci velmi vzdálených těles. Jejich vyhledávání v temnotě vesmíru je velmi náročné a vyžaduje ty největší dalekohledy také proto, že často odrážejí jen velmi málo slunečního záření. Budoucnost může tudíž přinést nejen doplňující poznatky, ale i ty zcela převratné.
Astronomové se například aktuálně přou o existenci hypotetické deváté planety, která možná vznikla už při formování Sluneční soustavy, nebo do ní byla zachycena ještě v době, kdy Slunce pobývalo ve své zárodečné hvězdokupě. Přímo tato planeta zatím spatřena nebyla, astronomové na ni usuzují pro její možný vliv na uspořádání dnes známých těles na velmi protáhlých a Slunci velmi vzdálených drahách. Obdobně byla ostatně předpovězena existence planety Neptun pro její vliv na polohu Uranu.
Domnělá vzdálená planeta by mohla mít velikost naší Země, ale je od Slunce tak daleko, že její oběh trvá tisíce let. Z našeho pohledu se tedy po obloze pohybuje tak pomalu, že se moderním přístrojům může jevit jako téměř nehybný bod. Navíc je pravděpodobně na samé hranici detekčních schopností nynějších teleskopů.
„V budoucnu se snad podaří její existenci potvrdit, nebo vyvrátit, a posuneme tak znalosti o minulosti, současnosti i budoucnosti naší Sluneční soustavy zase o kus dál,“ shrnuje David Vokrouhlický. „A vlastně změníme i poznání vzdálenějšího vesmíru, protože prakticky stejně musely kolem okolních hvězd vzniknout i jejich planety nebo planetární soustavy, které v posledních třiceti letech objevujeme.“
prof. RNDr. David Vokrouhlický, DrSc.
Narodil se v roce 1966. Vystudoval astronomii na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze, poté pracoval v jejím Astronomickém ústavu, kde byl mezi lety 2015 a 2023 ředitelem. V roce 2000 se stal docentem a v roce 2009 profesorem.
Zabývá se především pohybem malých těles Sluneční soustavy, vyvinul nové fyzikální modely pro negravitační síly působící na malé planetky a meteoroidy. Na začátku své profesní dráhy též pracoval v oblasti kosmické geodézie a relativistické astrofyziky, v posledních letech zkoumá i pohyb vícenásobných hvězdných soustav.
Je mimo jiné členem Mezinárodní astronomické unie a Učené společnosti ČR. Mezi jeho vědecká ocenění patří i pojmenování jedné z planetek na dráze mezi Marsem a Jupiterem jeho jménem.
