Nice modeli: dev gezegenlerin göçü

Güneş Sistemi'nin bugünkü düzeni, bulutsu hipotezinin basit biçimiyle tam uyuşmuyor. Uranüs ve Neptün, bulundukları uzaklıkta diskin yoğunluğunun onları oluşturmaya yetmeyeceği yerlerde duruyor. Kuiper kuşağının yapısı tuhaf: dış sınırı keskin biçimde kesiliyor ve çok sayıda cisim yüksek eğimli, basık yörüngelerde. Jüpiter'in yörüngesini paylaşan Truva asteroitlerinin dağılımı da basit bir oluşum senaryosuyla açıklanmıyor.

Nice modeli, bu tuhaflıkları tek bir olayla açıklamayı önerir: dev gezegenler bugünkü yörüngelerinde doğmadı. Başlangıçta çok daha sıkışık bir düzende duruyorlardı; aralarındaki bir yörünge rezonansı sistemi kararsızlaştırdı ve gezegenler göç etti. Modelin adı, geliştirildiği yerden geliyor: Fransa'nın Nice kentindeki Côte d'Azur Gözlemevi.

Modelin önerisi

Model 2005'te yayımlandı; çekirdeği Kleomenis Tsiganis, Rodney Gomes, Alessandro Morbidelli ve Harold Levison'un Nature'daki üç makalesinden oluşuyor.

Başlangıç düzeni

Dört dev gezegen, "yarıçapları 5,5 ile 17 astronomi birimi arasında, neredeyse dairesel yörüngelerde" başlıyor — yani hepsi Uranüs'ün bugünkü uzaklığından daha içeride. Bu kompakt düzenin ötesinde, en dıştaki dev gezegenin yörüngesinden Güneş'ten yaklaşık 35 astronomi birimi uzaklığa kadar uzanan, toplam kütlesi yaklaşık 35 Dünya kütlesi olan bir planetesimal diski var.

Tetikleyici: 1:2 rezonansı

Dev gezegenler, planetesimal diskinin kenarındaki cisimleri saçarak yavaş yavaş yörünge değiştirir. Birkaç yüz milyon yıl sonra, en içteki iki dev gezegen olan Jüpiter ve Satürn, karşılıklı 1:2 ortalama hareket rezonansına girer — yani Jüpiter tam iki tur atarken Satürn bir tur atar hâle gelir.

Rezonans, iki gezegenin birbirine aynı yörünge noktalarında düzenli olarak kütleçekimsel itki vermesi anlamına gelir. Bu küçük itkiler birikerek yörüngeleri basıklaştırır ve sistemi kararsızlaştırır.

Göç

Kararsızlıktan sonra Satürn dışa doğru göç eder, Jüpiter içe doğru kayar. Uranüs ve Neptün'ün yörüngeleri de basıklaşır ve bu iki gezegen planetesimal diskinin içine dalar. Diskle etkileşim, gezegenlerin yörüngelerini yeniden daireselleştirirken onları çok daha dışa taşır. Tsiganis ve arkadaşlarının başlangıç modellerinin yaklaşık %50'sinde Neptün ile Uranüs ayrıca yer değiştirir — yani bugün en dışta olan Neptün, başlangıçta Uranüs'ten daha içerideydi.

Dağılan planetesimaller bugünkü Kuiper kuşağını, saçılmış diski ve Oort bulutunu oluşturur. Jüpiter'in Truva asteroitleri de bu kargaşa sırasında yakalanır.

Verileri göster

Dev gezegen yörüngeleri	5,5-17 AB arası
Planetesimal diskinin kütlesi	≈ 35 Dünya kütlesi
Diskin dış sınırı	≈ 35 AB
Kararsızlığı tetikleyen rezonans	Jüpiter-Satürn 1:2
Uranüs-Neptün yer değiştirmesi	modellerin ≈ %50'sinde
Kararsızlığa kadar geçen süre	birkaç yüz milyon yıl

Neyi açıklıyor?

• Uranüs ve Neptün'ün varlığı. Bu gezegenler, diskin daha yoğun olduğu iç bölgelerde oluşup sonra dışa göç ettiyse, bugünkü uzaklıklarında nasıl oluştukları sorusu ortadan kalkar.
• Kuiper kuşağının yapısı. Kuşaktaki yüksek eğimli ve basık yörüngeler, Neptün'ün göçü sırasındaki saçılmayla açıklanır. Neptün'le rezonansa kilitlenmiş cisimler (Plüton gibi) göç sırasında yakalanmış olur.
• Saçılmış disk ve Oort bulutu. İçeriden dışa savrulan planetesimaller bu uzak toplulukları besler.
• Truva asteroitleri. Jüpiter'in yörüngesini paylaşan cisimlerin dağılımı, kararsızlık sırasında yakalanma senaryosuyla uyuşuyor.
• Asteroit kuşağının seyrekliği. Jüpiter-Satürn rezonansı sırasındaki ikincil tükenme, kuşağın kütlesini daha da azaltmış olur.

Son Ağır Bombardıman: modelin en tartışmalı iddiası

Nice modeli ilk hâliyle bir olguyu daha açıklamayı amaçlıyordu: Son Ağır Bombardıman (SAB). Ay'dan getirilen örneklerin izotop tarihlendirmeleri, kayaların son kez eriyip katılaştığı çarpma olaylarının "oldukça dar bir zaman aralığında" yoğunlaştığını gösteriyordu. Tera, Papanastassiou ve Wasserburg, 1974'te bu kümelenmeye dayanarak 3,8-4,1 milyar yıl arasında yoğun bir bombardıman yaşandığını öne sürdü ve buna "Ay kataklizmi" adını verdi. Apollo 15, 16 ve 17'nin indiği Imbrium, Nectaris ve Serenitatis havzaları da bu kısa aralıkta oluşmuş görünüyordu.

Nice modeli bu bombardımanı doğal olarak üretiyordu: gezegen göçü, "asteroit kuşağından, Kuiper kuşağından ya da ikisinden" cisimleri basık yörüngelere saçarak kayalık gezegenlere yöneltiyordu. Modelin ilk kurgusunda kararsızlık, Güneş Sistemi'nin oluşumundan yaklaşık 600 milyon yıl sonra gerçekleşecek biçimde ayarlanmıştı.

Sorun şu ki son yıllarda SAB'nin kendisi sorgulanıyor. Boehnke ve Harrison (2016) ile başka araştırmacılar, "Ay çarpma eriyiklerinin yaşlarındaki görünür kümelenmenin, tek bir büyük çarpmadan (Imbrium) saçılmış kayaların örneklenmesinden kaynaklanan istatistiksel bir yapay sonuç" olduğunu savunuyor. Yani Apollo örneklerinin hepsi aynı büyük çarpmanın enkazından geliyorsa, hepsinin aynı yaşı vermesi şaşırtıcı değil — ve "kataklizm" hiç yaşanmamış olabilir.

Bu, Nice modelini çürütmez; modelin asıl kanıtı Kuiper kuşağının ve Truva asteroitlerinin yapısıdır. Ama kararsızlığın ne zaman olduğu sorusunu yeniden açar. Bugün yaygın görüş, kararsızlığın Güneş Sistemi'nin ilk on milyonlarca yılı içinde, çok daha erken gerçekleşmiş olabileceği.

Değiştirilmiş sürümler

• Nice 2 modeli (2011). Kararsızlığın gecikmesi için farklı bir mekanizma kullanır: gezegenler başlangıçta bir rezonans zincirinde kilitlidir ve planetesimal diskiyle etkileşim zinciri zamanla kırar. Böylece kararsızlık, başlangıç koşullarının ince ayarına bağlı olmaktan çıkar.
• Beş gezegenli Nice modeli. Başlangıçta beş dev gezegen bulunduğunu ve bunlardan bir buz devinin kararsızlık sırasında Güneş Sistemi'nden tamamen savrulduğunu öne sürer. Başlangıç düzeni 3:2, 3:2, 2:1, 3:2 rezonans zinciri biçimindedir. Benzetimlerde, fazladan bir gezegenin savrulması kalan dört gezegenin bugünkü yörüngelerine daha iyi oturmasını sağlıyor.
• Büyük Dönüş (Grand Tack). Nice modelinin alternatifi değil öncesi: Jüpiter'in önce 1,5 AB'ye kadar içe göç ettiğini, Satürn'le 2:3 rezonansa girdikten sonra ikisinin birlikte dışa döndüğünü öne sürer. Bu senaryo asteroit kuşağının seyrekliğini ve Mars'ın neden küçük kaldığını açıklamayı amaçlıyor.

Verileri göster

1974	Tera-Papanastassiou-Wasserburg: Ay kataklizmi
2005	Nice modeli, üç Nature makalesi
2011	Nice 2: gecikmeli kararsızlık
2011	Grand Tack hipotezi
2016	Boehnke-Harrison: SAB bir yapay sonuç olabilir
2010'lar	Beş gezegenli Nice modeli

Karşı görüşler ve açık sorunlar

Model "tartışmalı" olarak işaretli, çünkü:

• Zamanlama belirsiz. Kararsızlığın ne zaman olduğu modelin içinden belirlenmiyor; başlangıç koşullarına bağlı. SAB dayanağı zayıflayınca bu serbestlik sorun hâline geldi.
• İnce ayar. Özgün model, istenen sonuçları vermek için belirli başlangıç düzenlerine ihtiyaç duyuyor. Nice 2 bunu hafifletmek için geliştirildi.
• SAB'nin varlığı. Modelin en çok bilinen "başarısı", açıkladığı olgunun kendisinin sorgulanmasıyla zayıfladı.
• Benzetim bağımlılığı. Sonuçlar sayısal benzetimlerden geliyor; farklı başlangıç koşulları farklı Güneş Sistemleri üretiyor. Hangi senaryonun gerçekleştiğini yörünge yapısından geriye doğru okumak zorunda kalıyoruz.
• Kaç gezegen vardı? Beş gezegenli sürüm daha iyi sonuç veriyorsa, savrulan buz devinin izi nerede? Kuramsal olarak böyle bir cisim yıldızlar arası uzayda, serbest gezegen olarak dolaşıyor olurdu.

Buna rağmen temel fikir — dev gezegenlerin göç ettiği — bugün gezegen biliminin standart varsayımlarından biri. Ötegezegen sistemlerinde yıldızına çok yakın dolanan dev gezegenlerin bulunması, göçün Güneş Sistemi'ne özgü bir tuhaflık değil, gezegen sistemlerinin genel bir özelliği olduğunu gösterdi.

Kısaca

• Nice modeli, dev gezegenlerin bugünkü yörüngelerinde oluşmadığını, göç ettiğini öne sürer.
• 2005'te Côte d'Azur Gözlemevi'nde (Nice) Tsiganis, Gomes, Morbidelli ve Levison tarafından yayımlandı.
• Gezegenler başlangıçta 5,5-17 AB arasında, dışarıda ise yaklaşık 35 Dünya kütlesinde bir planetesimal diski vardı.
• Jüpiter ile Satürn'ün 1:2 rezonansına girmesi sistemi kararsızlaştırdı; Satürn, Uranüs ve Neptün dışa, Jüpiter içe kaydı.
• Modellerin yaklaşık yarısında Uranüs ile Neptün yer değiştiriyor.
• Kuiper kuşağının yapısını, saçılmış diski, Oort bulutunu ve Truva asteroitlerini açıklıyor.
• En çok bilinen iddiası olan Son Ağır Bombardıman, 2016'dan beri örnekleme yapay sonucu olabileceği gerekçesiyle sorgulanıyor.
• Nice 2 (2011) ve beş gezegenli sürüm, zamanlama ve ince ayar sorunlarını hafifletmek için geliştirildi.