Pytania związane z powstaniem Układu Słonecznego są ponadczasowe. Dziś w kontekście odkrywania fascynujących nowych układów pozasłonecznych są one inne i jest ich coraz więcej. Tak się dzieje między innymi dlatego, że jeszcze niedawno nie spodziewaliśmy się, że odkryjemy tak inne planety niż te jakie znamy w naszym Układzie Słonecznym, niepodobne ani do planet olbrzymów, ani planet typu ziemskiego (takie jak np. Super-Ziemie), i często krążące po orbitach znacznie bliższych macierzystej gwiazdy niż orbita Merkurego.
W Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK PAN), badania Układu Słonecznego i wchodzących w jego skład planet i mniejszych obiektów prowadzimy wielowątkowo (zobacz: badania Zakład Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii). Listę tę otwierają próby modelowania początkowych warunków powstania naszego Układu Planetarnego i otrzymania w efekcie jego dziś istniejących populacji, które reprezentują cztery planety-olbrzymy, cztery planety typu ziemskiego, Pas Główny planetoid, Pas Kuipera, inne obiekty transneptunowe, komety krótkookresowe, komety długookresowe i Obłok Oorta. Innym wątkiem są badania szczegółowe dynamiki rzeczywistych populacji kometarnych (komet krótkookresowych i długookresowych) czy planetoid (np. dynamika NEOs – Planetoid Bliskich Ziemi). Jednym z istotniejszych kierunków badań jest analiza i interpretacja obserwacji uzyskanych z misji kosmicznych takich jak Herschel (badanie procesów zachodzących z udziałem wody w atmosferze kometarnej, poszukiwanie wody w odległych kometach) i Rosetta (badania powierzchni, wnętrza i atmosfery komety 67P/Churyumov-Gerasimenko, w tym zmian aktywności komety w ciągu kilku lat trwania misji, prowadzone za pomocą różnego rodzaju instrumentów optycznych, spektrometrów do badania widma w różnych jego zakresach, w tym spektrometrów masowych, instrumentów plazmowych czy radarów), czy ExoMars (badania powierzchni Marsa ukierunkowane na poszukiwania śladowych substancji lotnych oraz wody) oraz BepiColombo (badanie powierzchni i egzosfery Merkurego).
Słońce a jego macierzysta gromada gwiazdowa
CBK PAN prowadzi między innymi badania dynamiczne i fizyczne małych ciał Układu Słonecznego związane z wczesnymi stadiami ewolucji Układu Słonecznego i populacji małych ciał znajdujących się w jego obszarze. Zagadnienia te w ostatnich latach ciągłego wzrostu możliwości obliczeniowych są w kręgu dużego i rosnącego zainteresowania naukowców zajmujących się nie tylko tematyką powstawania Układu Słonecznego, a szerzej powstawania układów planetarnych wokół gwiazd podobnych do Słońca. W CBK PAN rozpoczęliśmy prace dotyczące analizy podstawowych zagadnień związanych z formowaniem się planet, w tym roli, jaką pełnią gromady gwiazd w kształtowaniu powstających układów planetarnych i ich dynamicznej ewolucji. Naturalną drogą w zrozumieniu tej kwestii jest badanie naszego Układu Słonecznego i zastanowienie się, czego możemy dowiedzieć się o gromadzie gwiazd, w której mogło powstać Słońce. Możemy następnie wykorzystać wiedzę o naszym Układzie Słonecznym jako punkt wyjścia przy porównywaniu różnorodnych układów obserwowanych egzoplanet, które są w kręgu głównych zainteresowań przyszłej misji ARIEL.
Woda w kometach a woda na Ziemi
Woda grała istotną rolę w formowaniu i ewolucji planet i komet, stąd badanie jej izotopów jest źródłem informacji o ewolucji ciał Układu Słonecznego. W tym kontekście interesuje nas szczególnie aspekt pochodzenia wody ziemskiej, jej ewentualnych związków z małymi ciałami Układu Słonecznego, tzn. na ile jest prawdopodobne, że to komety albo planetoidy dostarczyły część wody na Ziemię we wczesnych chwilach jej formowania. Takie badania umożliwiły między innymi instrumenty znajdujące się na pokładzie kosmicznego teleskopu Herschel. Wydaje się, że skład izotopowy wody kometarnej w obrębie tej samej populacji komet może być zróżnicowany, a modele przewidujące uformowanie się komet jowiszowych w dalszych odległościach od Słońca niż komet długookresowych związanych z Obłokiem Oorta – muszą być zweryfikowane. Być może większą rolę odgrywało w przeszłości wielkoskalowe wymieszanie komet i planetoid podczas migracji wielkich planet na początku powstania Układu Słonecznego.
Woda na Marsie?
Również zajmujemy się problemem istnienia i pochodzenia wody na Marsie, gdyż jest wysoce prawdopodobne, że na Marsie istniała dawniej woda w sporej obfitości. Analizując bilans wodny na młodym Marsie naukowcy z CBK PAN, we współpracy międzynarodowej, doszli do wniosku, że większość wody została dostarczona na tę planetę prawdopodobnie przez zbłąkane planetozymale w okresie przed uderzeniem Księżyca w Ziemię. Odpowiednim wydarzeniem o mniejszej skali na Marsie, powodującym również znaczną utratę wczesnej wody, jest wciąż hipotetyczne wydarzenie prowadzące do utworzenia (być może) basenu uderzeniowego Borealis. Co więcej, wykazano, że komety kilometrowych rozmiarów, które zasiedlałyby dysk zewnętrzny aż do Ery Wielkiego Bombardowania (ang. Late Heavy Bombardement, LHB), nie przetrwałby potem w wyniku licznych kolizji. Jest to wniosek będący w jawnym konflikcie z pierwotną naturą komet. Rozwiązanie tego dylematu najprawdopodobniej powinno polegać na zmianie harmonogramu planetarnej rearanżacji zawartym w tzw. modelu nicejskim, powszechnie dziś przyjętym scenariuszu migracji planet.
Dynamika komet i innych małych ciał
Od początku istnienia naszego Instytutu, w CBK PAN rozwija się badania dynamiki komet z uwzględnieniem subtelnych efektów związanych z niegrawitacyjnym zaburzeniem w ich ruchu orbitalnym, czyli tzw. przyspieszeniem niegrawitacyjnym spowodowanym sferycznie niesymetryczną emisją substancji lotnych i ucieczką pyłów z ich powierzchni. W miarę ruchu orbitalnego komety zmienia się ogrzewanie słoneczne, a co za tym idzie tempo sublimacji lodu. Należy tutaj zauważyć, że lód wodny stanowi znaczący składnik jądra kometarnego. Budowane przez nas modele przyspieszenia niegrawitacyjnego uwzględniają fizyczne własności jądra kometarnego, które jest źródłem obserwowanych zmian aktywności kometarnej. W niektórych z naszych modeli wykorzystujemy nie tylko obserwacje astrometryczne, ale także obserwacje fotometryczne oraz pomiary tempa produkcji substancji lotnych w wyniku sublimacji lodu.
Badaniami tego typu objęto dziesiątki komet krótkookresowych, a w ostatnich latach około 300 komet długookresowych. To ostatnie zaowocuje wkrótce unikatową bazą kometarną powstałą we współpracy z IAO UAM w Poznaniu. Taka baza może przyczynić się do zrozumienia rozbieżności jakie od wielu lat narastają pomiędzy obserwacjami a symulacjami numerycznymi powstania Obłoku Oorta i ewolucji populacji komet długookresowych.
Misje do planet, komet i innych ciał Układu Słonecznego
Od kilkudziesięciu lat CBK PAN angażuje się w badania przeprowadzane w ramach misji do planet i małych ciał Układu Słonecznego. Dziś misje Rosetta i Herschel są formalnie zakończone, choć ciągle trwa analiza bogactwa danych dostarczonych w tych misjach i nadal badacze z CBK PAN także się tym zajmują.
Takimi przykładami działań, które obecnie prowadzimy w zakresie misji kosmicznych są badania w projektach PFS w misji Mars Express, i CaSSIS w misji ExoMars; VIRTIS w misji Venus Express, projekty VIRTIS i OSIRIS w misji do komety 67P/Churyumov-Gerasimenko i aktywność w dwu projektach (MERTIS i SYMBIO-SYS) w rozpoczętej niedawno misji BepiColombo do Merkurego.
Wyniki badań są fascynujące. Interpretacja danych przekazanych przez instrumenty oraz modelowanie numeryczne i laboratoryjne obserwacji pozwoliło np. na poszukiwanie obecności wody na Marsie i wykrycie metanu w jego atmosferze, określenie kształtu komety 67P i struktury jej pyłowo-lodowej powierzchni oraz analizę intensywnych strumieni gazowo-pyłowych wyrzucanych z jej jądra. Mamy nadzieję, że wyniki obecnej misji do niezbadanego dotąd dostatecznie Merkurego dostarczą nowych odkryć i rozwiążą wiele zagadek, np. dotyczących ciemnych i lodowych rejonów tej planety.
Wielowątkowe badania Marsa. Czy na Marsie jest metan?
Obecnie CBK PAN jest zaangażowane w misję ExoMars , w ramach której podejmujemy próby
- (a) interpretacji geologicznej i geofizycznej struktur odkrywanych na powierzchni Marsa (czytaj też: Geofizyka planet typu ziemskiego w misjach kosmicznych), oraz
- (b) analizy bilansu transportu substancji śladowych z warstw powierzchniowych planety do górnych warstw jej atmosfery (czytaj też: Zespół Eksploracji Marsa).
To ostatnie zagadnienie wymaga modelowania transportu gazów śladowych w atmosferze Marsa. Orbiter TGO (ang. Trace Gas Orbiter) należący do Europejskiej oraz Rosyjskiej Agencji Kosmicznej od 2018 roku dostarcza m.in. danych o gazach śladowych znajdujących się w atmosferze Marsa. Jeden z instrumentów znajdujący się na pokładzie tego orbitera (CaSSIS) wykonuje również zdjęcia (w tym zdjęcia ,,trójwymiarowe’’) powierzchni tej planety. Zdjęcia te mogą być przydatne w charakteryzacji źródeł oraz miejsc zaniku gazów śladowych. Jednym z najbardziej intrygujących zjawisk występujących na Marsie jest okresowe pojawianie się oraz zanikanie metanu (CH4). W naszym instytucie w celu analizy danych przesyłanych przez sondę TGO rozpoczęliśmy prace nad chemicznym i fotochemicznym modelem atmosfery Marsa. Wykorzystując ten model, w skład którego wchodzić może kilkaset różnego rodzaju reakcji, możemy analizować kilkadziesiąt różnego rodzaju molekuł, które występują, lub mogą występować w atmosferze tej planety. Możemy również uwzględniać wpływ pyłu, chmur lodowych oraz gęstości czy strumienie rozważanych gazów na powierzchni planety jako rezultat ich transportu ze źródeł zarówno powierzchniowych jak i podpowierzchniowych. Dzięki naszej pracy spodziewamy się lepiej zrozumieć pochodzenie różnego rodzaju gazów śladowych występujących w atmosferze Marsa, w szczególności metanu.
