Hypotesen att solsystemet härstammar från ett gigantiskt moln av gas och damm flöt först under andra hälften av 1700-talet av den tyske filosofen Immanuel Kant och vidareutvecklades av den franske matematikern Pierre-Simon de Laplace. Det är nu enighet bland astronomer. Tack vare den enorma mängden observationsdata, teoretiska indata och beräkningsresurser nu tillgängliga, den har ständigt förfinats, men detta är inte en linjär process.

Det är inte heller utan kontroverser. Tills nyligen, solsystemet ansågs ha fått sina nuvarande egenskaper som ett resultat av en period av turbulens som inträffade cirka 700 miljoner år efter dess bildande. Dock, en del av den senaste forskningen tyder på att den tog form i det mer avlägsna förflutna, någon gång under de första 100 miljoner åren.

En studie utförd av tre brasilianska forskare ger robusta bevis för denna tidigare strukturering. Redovisat i en artikel publicerad i tidskriften Ikaros , studien stöddes av São Paulo Research Foundation—FAPESP. Författarna är alla knutna till São Paulo State University's Engineering School (FEG-UNESP) i Guaratinguetá (Brasilien).

Huvudförfattare är Rafael Ribeiro de Sousa. De andra två författarna är André Izidoro Ferreira da Costa och Ernesto Vieira Neto, huvudforskare för studien.

"Den stora mängden data som erhållits från detaljerad observation av solsystemet gör det möjligt för oss att med precision definiera banorna för de många kroppar som kretsar runt solen, " Ribeiro sa. "Denna orbital struktur gör det möjligt för oss att skriva historien om bildandet av solsystemet. Uppstår ur gas- och dammmolnet som omgav solen för cirka 4,6 miljarder år sedan, jätteplaneterna bildades i banor närmare varandra och även närmare solen. Banorna var också mer plana och mer cirkulära än de är nu, och mer sammankopplade i resonansdynamiska system. Dessa stabila system är det mest troliga resultatet av gravitationsdynamiken för planetbildning från gasformiga protoplanetära skivor."

Izidoro erbjöd mer detaljer:"De fyra jätteplaneterna - Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – dök upp ur gas- och stoftmolnet i mer kompakta banor, " sade han. "Deras rörelser var starkt synkrona på grund av resonanta kedjor, med Jupiter som gjorde tre varv runt solen medan Saturnus gjorde två. Alla planeterna var inblandade i denna synkronicitet producerad av dynamiken hos den ursprungliga gasskivan och planeternas gravitationsdynamik."

Dock, i hela det yttre solsystemets bildningsområde, som inkluderar zonen som ligger bortom Uranus och Neptunus nuvarande banor, solsystemet hade en stor population av planetesimaler, små kroppar av sten och is betraktas som byggstenarna för planeter och föregångare till asteroider, kometer och satelliter.

Den yttre planetesimala skivan började störa systemets gravitationsbalans. Resonanserna stördes efter gasfasen, och systemet gick in i en period av kaos där de jättelika planeterna interagerade våldsamt och kastade ut materia i rymden.

"Pluto och dess iskalla grannar trycktes in i Kuiperbältet, där de finns nu, och hela gruppen av planeter migrerade till banor längre bort från solen, sa Ribeiro.

Kuiperbältet, vars existens föreslogs 1951 av den holländska astronomen Gerard Kuiper och senare bekräftades av astronomiska observationer, är en ringformad (munkformad) struktur som består av tusentals små kroppar som kretsar runt solen.

Mångfalden av deras banor syns inte i någon annan del av solsystemet. Kuiperbältets inre kant börjar vid Neptunus omloppsbana cirka 30 astronomiska enheter (AU) från solen. Ytterkanten är cirka 50 AUs från solen. En AU är ungefär lika med det genomsnittliga avståndet från jorden till solen.

Återgå till störningen av synkronicitet och början av det kaotiska stadiet, frågan är när detta hände - mycket tidigt i solsystemets liv, när den var 100 miljoner år gammal eller mindre, eller mycket senare, förmodligen cirka 700 miljoner år efter att planeterna bildades?

"Tills nyligen, den sena instabilitetshypotesen dominerade, ", sa Ribeiro. "Datering av månstenarna som kom tillbaka av Apollo-astronauterna antydde att de skapades av asteroider och kometer som kraschade in i månens yta samtidigt. Denna katastrof är känd som det "sena tunga bombardementet" av månen. Om det hände på månen, det hände förmodligen också på jorden och solsystemets andra jordplaneter. Eftersom en hel del materia i form av asteroider och kometer projicerades i alla riktningar i solsystemet under perioden av planetarisk instabilitet, man drog slutsatsen från månklipporna att denna kaotiska period inträffade sent, men på senare år, idén om ett "sent bombardement" av månen har fallit i onåd.

Enligt Ribeiro, om den sena kaotiska katastrofen hade inträffat, det skulle ha förstört jorden och de andra jordiska planeterna, eller åtminstone orsakat störningar som skulle ha placerat dem i helt andra banor än de vi observerar nu.

Vidare, Månstenarna som Apollo-astronauterna förde tillbaka visade sig ha producerats av ett enda slag. Om de hade sitt ursprung i sen jätteplanetens instabilitet, det skulle finnas bevis på flera effekter, med tanke på spridningen av planetesimalerna av jätteplaneterna.

"Utgångspunkten för vår studie var tanken att instabiliteten skulle dateras dynamiskt. Instabiliteten kan bara ha inträffat senare om det fanns ett relativt stort avstånd mellan den inre kanten av skivan av planetesimaler och Neptunus omloppsbana när gasen var slut. Detta relativt stora avstånd visade sig ohållbart i vår simulering, sa Ribeiro.

Argumentet bygger på en enkel premiss:Ju kortare avståndet är mellan Neptunus och planetesimalskivan, ju större gravitationspåverkan, och därav desto tidigare period av instabilitet. Omvänt, senare instabilitet kräver ett större avstånd.

"Vad vi gjorde var att skulptera den ursprungliga planetesimalskivan för första gången. För att göra det, vi var tvungna att gå tillbaka till bildandet av isjättarna Uranus och Neptunus. Datorsimuleringar baserade på en modell konstruerad av professor Izidoro [Ferreira da Costa] 2015 visade att bildandet av Uranus och Neptunus kan ha sitt ursprung i planetariska embryon med flera jordmassor. Massiva kollisioner av dessa superjordar skulle förklara, till exempel, varför Uranus snurrar på sidan, " sa Ribeiro, hänvisar till Uranus "lutning, " med nord- och sydpoler placerade på dess sidor snarare än topp och botten.

Tidigare studier hade pekat på vikten av avståndet mellan Neptunus bana och den inre gränsen för planetesimalskivan, men de använde en modell där de fyra jätteplaneterna redan var bildade.

"Det nya med denna senaste studie är att modellen inte börjar med helt formade planeter. Istället, Uranus och Neptunus är fortfarande i tillväxtstadiet, och tillväxtdrivkraften är två eller tre kollisioner som involverar objekt med upp till fem jordmassor, " sa Izidoro.

"Föreställ dig en situation där Jupiter och Saturnus bildas, men vi har fem till tio superjordar istället för Uranus och Neptunus. Superjordarna tvingas av gasen att synkronisera med Jupiter och Saturnus, men är många, deras synkronicitet fluktuerar, och det slutar med att de krockar. Kollisionerna minskar antalet, gör synkronicitet möjlig. Så småningom, Uranus och Neptunus är kvar. Medan de två isjättarna bildades i gasen, planetesimalskivan höll på att förbrukas. En del av saken tillkom Uranus och Neptunus, och en del drevs till utkanten av solsystemet. Uranus och Neptunus tillväxt definierade därför positionen för planetesimalskivans inre gräns. Det som var kvar av skivan är nu Kuiperbältet. Kuiperbältet är i grunden en kvarleva från den ursprungliga planetesimalskivan, som en gång var mycket mer massiv."

Den föreslagna modellen överensstämmer med jätteplaneternas nuvarande banor och med den struktur som observeras i Kuiperbältet. Det är också förenligt med trojanernas rörelse, en stor grupp av asteroider som delar Jupiters omloppsbana och antagligen fångades under störningen av synkroniciteten.

Enligt en tidning publicerad av Izidoro 2017, Jupiter och Saturnus var fortfarande i formation, med deras tillväxt som bidrar till förskjutning av asteroidbältet. Den senaste tidningen är en slags fortsättning, utgående från ett stadium där Jupiter och Saturnus var helt bildade men fortfarande synkroniserade, och beskriver solsystemets utveckling därifrån och framåt.

"Gravitationssamverkan mellan jätteplaneterna och planetesimalskivan gav störningar i gasskivan som spred sig i form av vågor. Vågorna producerade kompakta och synkrona planetsystem. När gasen tog slut, interaktion mellan planeterna och planetesimalskivan störde synkroniciteten och gav upphov till den kaotiska fasen. Med hänsyn till allt detta, vi upptäckte att förutsättningarna helt enkelt inte existerade för att avståndet mellan Neptunus bana och planetesimalskivans inre gräns skulle bli tillräckligt stort för att upprätthålla den sena instabilitetshypotesen. Detta är huvudbidraget från vår studie, som visar att instabiliteten inträffade under de första 100 miljoner åren, och kan ha inträffat, till exempel, innan jorden och månen bildades, sa Ribeiro.