između mrava i zvijezda

Postoji li igdje mjesto kao Zemlja? Astronomi razvijaju radikalne ideje o nastanku planeta, a ovo su najpopularnije teorije

  • Autor: Damir Rukavina
  • Zadnja izmjena 03.07.2022 12:50
  • Objavljeno 03.07.2022 u 12:50
tportal

Izvor: Profimedia / Autor: Profimedia

Promatranje udaljenih svjetova polako je natjeralo znanstvenike da promijene priču o nastanku našeg rodnog planetarnog sustava

Naša srednjovječna zvijezda je, bez dvojbe, najuobičajeniji dio Sunčevog sustava. Zanimljiv dio priče započinje s planetima. Merkur je, primjerice, spaljen svijet koji je vanjske slojeve izgubio tijekom davne i prilično traumatične kolizije. Nakon njega imamo Zemlju i Veneru - planete blizance od kojih je jedan plodan i pun života, a drugi vrlo negostoljubiv. Nakon njih imamo Mars, mali svijet koji za razliku od Merkura nikad nije izgubio svoje slojeve, već je samo prestao rasti. Nakon Marsa se susrećemo sa prstenom materijala ostalog nakon kreacije naše zvijezde i nakon toga - stižemo do Jupitera. Masivan plinoviti div na pola je puta između planeta i zvijezde, ne samo zbog velikog broja nevjerojatnih prirodnih satelita, već zbog kemijskog sastava koji je jako sličan onome kojeg je iza sebe ostavilo Sunce. Nakon Jupitera susrećemo tri ogromna svijeta - Saturn, Uran i Neptun, sastavljene od plina i leda.

Četiri plinovita diva nemaju skoro niti jednu sličnost s kamenitim svjetovima bez obzira što su nastali u relativno istom razdoblju, od istog materijala i u orbiti iste zvijezde. Sunčev sustav i njegovih osam planeta predstavljaju slagalicu koju do danas nismo uspjeli riješiti.

Nakon što pogledamo dalje od našeg sustava prema bespućima dubokog svemira, naići ćemo na zvijezde i njihove planete. Astronomi su prepoznali tisuće udaljenih planetarnih sustava, no začudo - dosad nisu naišli na niti jedan koji je sličan našem.

Sve veći katalog planeta izvan našeg sustava uparen sa promatranjima udaljenih prašnjavih planetarnih jaslica, kao i novih podataka koje smo sakupili u našem sustavu ne podržava 'klasične' teorije o nastanku novih planeta. Planetarni znanstvenici prisiljeni na napuštanje desetljećima starih modela sad shvaćaju da možda ne postoji unificirana teorija o nastajanju planeta.

Otkrića unatoč tome potiču nova istraživanja. Usred kaotičnog procesa nastanjanja planeta pojavljuju se uzorci koji astronome potiču na donošenje novih zaključaka. Timovi stručnjaka danonoćno razvijaju nove teze o prašini i kamenčićima koji su sakupljanjem stvorili planete. Svaki korak opisan u novim teorijama susreće se sa znanstvenim otporom, kontradiktornim tezama i brojnim faktorima koji bez obzira na znanstveno mišljenje određuju pravila o sudbinama mladih planeta. U samom središtu ovih rasprave nalaze se neka od najstarijih pitanja poput 'kako smo uopće tu završili' ili 'postoji li igdje u svemiru mjesto kao Zemlja'.

Nova pitanja, stari odgovori

Astronomi su osnovne teze o nastanku našeg sustava znali već 300 godina. Njemački filozof Immanuel Kant koji se kao i velik broj suvremenika bavio i astronomijom 1755. je godine objavio teoriju koja drži vodu i dan danas. 'Sva tvar koja sačinjava sfere pripada našem Sunčevom sustavu, svi planeti i kometi i podrijetlo svih stvari svodi se na elementarne osnovne materijale',napisao je.

Ove riječi odzvanjaju i u praksi. Na koncu, naš svijet nastao je od difuznog oblaka prašine i plina. Prije četiri i pol milijarde godina, potaknut prolazećom zvijezdom ili udarnim valom supernove, oblak se urušio pod vlastitom gravitacijom i stvorio naše Sunce. Problem je što je pored tog dijela priče - sve ostalo jedan velik misterij.

Nakon što se Sunce zapalilo, ostatak plina se oko njega zvrtio i u tom su mediju (s vremenom) nastali planeti. Klasični model koji ovo objašnjava nosi ime Skaliranje minimalne mase solarnih maglica te vizualizira osnovni 'protoplanetarni disk' ispunjen s dovoljno vodika, helija i težih elemenata da napravi asteroidna polja i planete. Model nastao 1977. pretpostavlja da su planeti nastali upravo tu gdje ih imamo i danas, počevši kao 'planetezimali' koji sabiru okolni materijal i kao rojevi skakavaca proždiru svaki listić u polju.

'Model pretpostavlja da je solarni disk nekad bio ispunjen planetezimalima' kaže Joanna Drążkowska, astrofizičarka na sveučilištu Ludwig Maximilian u Munchenu i autorica nedavnog osvrta o ovom znanstvenom polju. 'Ljudi nisu sagledali postojanje bilo kakvih manjih objelata - ni prašine, ni kamenčića.'

SVEMIR OKO NAS

[FOTO] Tajne koje ne prestaju fascinirati: Jeste li znali za ova neobična kozmička otkrića?

Pogledaj galeriju
10

Radikalni pomak

Astronomi su površno rezonirali da planetezimali nastaju zbog sakupljanja prašine u hrpe. Klasični model pretpostavlja planetezimale rasipane po solarnoj maglici uz statističku distribuciju veličina koje slijede ono što fizičari zovu zakonom snage, odnosno postojanjem više malih nego velikih planetezimala. Prije par godina su svi pretpostavljali da su planetezimali raspoređeni putem zakona snage, no sad znamo da to nije istina.

Do ove je promjene stiglo zahvaljujući nizu srebrnih parabola u Čileu. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) dizajniran je za prepoznavanje svjetla na hladnim objektima veličine oko milimetar - poput zrnja prašine oko novnastalih zvijezda. Počevši 2013. ALMA je snimila iznimne snimke mladih sunčevih sustava uz potencijalne planete smještene u maglovitim diskovima u okolici zvijezda.

Astronomi su prije ove diskove zamišljali kao glatke aureole koje se razrijeđuju dok se šire prema van, no ALMA potvrđuje postojanje diskova s dubokim i tamnim jazovima sličnima Saturnovim prstenovima, dok je drugdje pronašla neobične lukove i filamente, pa čak i spirale koje podsjećaju na minijaturne galaksije. 'ALMA je u potpunosti promijenila ovo znanstveno polje', rekao je David Nesvorny, astronom na Southwest Research Instituteu u Boulderu u Coloradu.

Promatranja pokazuju da se prašina sakuplja u određenim mjestima, umjesto da se ravnomjerno distribuira svemirom. Ta mjesta su mjesta nastanka prvih planeta. Dio se prašine sakuplja u 'snježnoj liniji', odnosno udaljenosti od zvijezde pri kojoj se voda zamrzava. Drugi astronomi u isto vrijeme tvrde da se prašina nakuplja na liniji kondezacije gdje silikati stvaraju kapljice, a ne paru. Te linije kondenzacije vjerojatno uzrokuju 'prometnu gužvu', obuzdavajući brzinu kojom prašina pada prema zvijezdi te samim time - dozvoljavaju njezino nakupljanje.

Od prašine do planeta

Znanstvenici su čak i prije ALMA-inog otkrića imali problema sa shvaćanjem brzine sakupljanja prašine i nastajanja planeta - pogotovo onih velikih. Plin oko mlade zvijezde bi se rasipao u oko 10 milijuna godina, što znači da je Jupiter morao sakupiti većinu svojeg materijala unutar ovog razdoblja. Prašina je, prema tome, morala stvoriti Jupiterovu jezgru relativno brzo nakon paljenja Suncal. Sonda Juno potvrdila je da Jupiter vjerojatno ima pahuljastu jezgru, što znači da je nastao brzo. Pitanje je i dalje - kako?

Problem poznat astronomima od početka tisućljeća podrazumijeva da bi turbulencija, pritisak plina, vrućina, magnetska polja i drugi faktori mogli spriječiti kruženje prašine u velikoj blizini Sunca, dok bi se veće nakupine zbog gravitacije jednostavno s vremenom zabile u Sunce.

Andrew Youdin i Jeremy Goodman 2005. su objavili novu teoriju o nakupinama prašine koja je stvorila put prema soluciji. Nekoliko godina nakon što se sunce zapalilo, plin koji putuje oko zvijezde stvorio je čeone vjetrove koji su uzrokovali stvaranje nakupina te ih držali dalje od zvijezda. Primordijalne hrpe pijeska postajale su sve veće i gušće te su s vremenom kolabrirale pod vlastitom gravitacijom i stvorile kompaktne objekte. Ideja pod imenom nestabilnost strujanja danas se smatra općenito prihvaćenim modelom za sakupljanje minijaturnih zrnaca pijeska u velike stijene. Ovaj mehanizam može formirati planetezimale promjera oko 100 kilometara koje se moeđusobno sudaraju.

Ovo, doduše, nije pružilo odgovor na pitanje kako su nastali veći planeti poput Jupitera.

Anders Johansen i Michiel Lambrechts sa sveučilišta Lund u Švedskoj 2012. su predložili varijaciju teorije o rastu planeta pod imenom akreacija kamenčića. Prema njihovoj tezi planetarni embdiji veličine patuljastih planeta poput Ceresa nastali nestabilnošću strujanja rastu u puno veće oblike. Gravitacija i trenje u cirkumzvjezdanom disku uzrokuje propadanje prašine i kamenčića u ove objekte koji s vremenom rastu slično kao gruda koju gurnete niz brdo.

Akreacija kamenčića trenutno je omiljena teza o nastajanju plinovitih divova, dok brojni znanstvenici tvrde da upravo nju vidimo na slikama iz ALMA-e te koja potvrđuje da plinoviti divov mogu nastati kroz par milijuna godina nakon nastanka zvijezde. Problem je što ova teorija ne radi na manje zemljolike planete u blizini Sunca. Johansen, Lambrechts i pet koautora objavili su istraživanje koje pokazuje kako kamenčići koju putuju nazad prema zvijezdi doprinose nastanku svjetova poput Venere, Marsa, Zemlje i Theije, uništenog svijeta koji se sudario sa Zemljom i stvorio Mjesec. Akreacija kamenčića ne govori o velikim udarima poput onog Zemlje i Theije koji su bili bitan dio oblikovanja zemljolikih planeta. Premda je akreacija kamenčića vrlo učinkovit način izbjegavanje problema sa klasičnim modelom, on nije jedini način nastanka planeta.

Drugi znanstvenici odbijaju ideju kamenčića koji se sakupljaju u kamenite svjetove dijelom i zbog geokemijskih uzoraka koji sugeriraju da je Zemlja nastala tijekom dugog razdoblja i zato jer meteori nastaju od kamenja različite starosti. Oni tvrde da sve zavisi o lokaciji, dok se procesi mijenjaju zavisno o okruženju.

Planeti u pokretu

Merkur, Venera, Mars, Jupiter i Saturn većinu su ljudske povijesti bili jedini poznati svjetovi pored našeg. 26 godina nakon objave Kantove hipoteze William Herschel pronašao je još jedan planet te ga je nazvao Uran. Johann Gottfired Galle nako toga je 1846. otkrio Neptun, a pola sotljeća kasnije broj poznatih planeta se povećao.

Sve je počelo 1995. kad su Didier Queloz i Michel Mayor sa sveučilišta u Ženevi periskope uperili prema suncolikoj zvijezdi pod imenom 51 Pegasi i otrkili da koleba. Razlog pomicanju je, prema njima, planet koji je njoj bliži nego što je našem suncu naš Merkur. Otkriven je prvi 'vrući Jupiter'.

Lov na egzoplanete počeko je nakon početka rada teleskopa Kepler 2009. Sad znamo da je svemir prepun planeta - skoro svaka zvijezda ima bar jednu, ako ne i više. Većina ih, doduše, ima planete koje mi nemamo - vruće jupitere i još jednu neobičnu klasu kamenitih svjetova koji su veći od Zemlje ali manji od Neptuna kojima su nadjenuli ime 'superzemlje'. Najzanimljivije je što do danas, doduše, nismo pronašli ni jedan sustav sličan našem, odnosno mjesto gdje oko sunca putuju četiri mala kamenita i četiri velika plinovita svijeta. 'Riječ je o nečemu što je jedinstveno za naš sustav - i to je dosta neobično' rekao je Seth Jacobson, astronom na sveučilištu Michigan.

Model iz Nice

Odgovor na ovo pitanje dolazi u obliku modela Nice - ideje koja bi mogla objediniti radikalno različite planetarne arhitekture. Geokemijska analiza kamenja koje su sakupili astrnoauti iz Apolla predlaže da je Mjesec prije 3.9 milijardi godina bio izudaran asteroidima usred procesa pod imenom kasno teško bombardiranje. Inspirirani ovim dokazom, Alessandro Morbidelli sa sveučilišta Azurne Obale, i kolege u Nici 2005. su predložili da Jupiter, Saturn, Uran i Neptun nisu nastali na svojim trenutnim pozicijama, već su se razmjestili prije 3.9 milijardi godina. Model iz Nice sugerira da su se u tom razdoblju veliki vanjski planeti razmjestili te uzrokovali kolaps asteroida prema unutarnjim planetima.

Dokazi za kasno teško bombardiranje trenutno se ne čini vjerojatnim, dok mnogi i dalje vjeruju u model iz Nice. Tvorci modela zaključuju da su plinoviti divovi vjerojatno putovali još ranije u povijesti te da je u orbitalnom uzorku pod imenom Veliko letanje Saturnova gravitacija zaustavila Jupiter od potpunog primicanju Suncu gdje se inače mogu pronaći vrući Jupiteri. Naš je sustav, tim rečeno, vjerojatno imao sreće zahvaljujući velikim planetima koji su se međusobno 'obuzdale' prije nego što su kolabrirale prema Suncu i pritom uništile kamenite planete, piše The Next Web.

'Ako nema nečeg što će utjecati na proces, uvijek ćemo završiti sa divovskim planetima u blizini zvijezda' rekao je Jonathan Lunine, astronom sa sveučilišta Cornell. 'Je li migracija prema unutrašnjosti izravan rezultat rasta izoliranog divovskog planeta? Koje su kombinacije velikih planeta koji bi tu migraciju usporile? To je vrlo veliko pitanje'. Tu je također i debata o vremenu migracije velikih planeta, kao i mogućnost da je ona pomogla nastanku kamenitih planeta, a ne njihovom uništenju. Morbidelli je pokrenuo petogodišnji projekt proučavanja nestabilnih orbitalnih konfiguracija nakon nastanka sunca u nadi pronalaženja odgovora na pitanje jeli formacija zvijezde pomogla uskomešati kamenite ostatke i samim time stvoriti zemljolike svjetove.

Iskod svih ovih rasprava je da velik broj znanstvenika danas vjeruje da veliki planeti i njihova migracija dramatično utječu na sudbinu kamenitih planeta u svim sustavima. Svjetovi veličine Jupitera mogu rasporediti asteroide ili ograničiti broj zemljolikih svjetova. Ovo je, među ostalim, vodeća hipoteza koja objašnjava manju veličinu Marsa - on je mogao narasti, no Jupiterov utjecaj odsjekao je opskrbu materija.a Velik broj zvijezda snimljenih teleskopom Kepler imaju superzemlje u bliskim orbitama, a znanstvenici nisu sigurni prate li ih udaljeni veći vanjski planeti ili ne? Timovi su pokazali dokaze za povezanost i nepovezanost dvije vrste planeta, kaže Rachel Fernandes, studentica na sveučilištu Arizona. Problem je što ni jedna od teorija do sad nije sakupila dovoljno dokaza da bi svi na koncu bili sigurno. 'Riječ je o jednoj od onih stvari koje su fora na konferencijama' kaže. 'Svi se prepiru dok u isto vrijeme znaju da je druga strana možda u pravu'.

Odskačući planeti

Jacobson je nedavno pronašao novi model koji radikalno mijenja vremenski raspored migracije opisane u modelu Nice. U znanstvenom radu objavljenom ovog travnja u časopisu Nature, on, Beibei Liu iz sveučilišta Zhejiang u Kini te Sean Raymond sa sveučilišta u Bordeauxu u Francuskoj tvrde da je dinamika tijeka plina uzrokovala migraciju planeta svega par milijuna godina nakon njihova nastanka - 100 put ranije nego u modelu iz Nice.

Seth Jacobson, planetarni znanstvenik sa sveučilišta u Michiganu i kolege nedavno su prepoznali odkačući mehanizam prema kojem divovski planeti koji su se približili zvijezdama s vremeno putuju dalje od njih.

U novom su se modelu planeti 'odbili' - oni se pro kreču prema unutra te zbog zagrijavanja plina u disku - putuju nazad. Odbijanje se dešava zato jer se mladi plinovit planet kupa u disku toplog plina te osjeća povlačenje prema gušćem plinu koji je bliži zvijezdi, a tu je i povlačenje prema van kojeg uzrokuje udaljeniji plin. Povlačenje prema unutra je jače, pa mladi planet polako putuje prema Zvijezdi. Nakon što plin polako nestane nekoliko milijuna godina nakon rođenja zvijezde, ravnoteža se mijenja. Više plina ostaje na udaljenoj strani planeta u odnosu na zvijezdu, što znači da se planet opet povlači prema van.

Riječ je o 'velikom šoku sustava koji može destabilizirati vrlo dobar aranžman planeta' kaže Jacobson. 'Ovo, doduše, vrlo dobro objašnjava značajke velikih plinovitih planeta i njihovoj ekscentričnosti'. Konačno, teorija se podudara sa otkrićem vrućih kupitera koji se u drugim sustavima nalaze u nestabilnim orbitama koje mogu biti u stadiju puta prema unutra ili prema van.

Uz sve teze o linijama kondenzacije, kamenčićima, migracijama i odbijanju prema nazad dolazimo do vrlo složene priče, no bar za sad - odgovori su skriveni. Većina promatranja novih planeta koristi metode koje otkrivaju svjetove koji su blizu njihovih zvijezda. Lunine kaže da bi rado vidio lovce na planete kako koriste astrometriju, odnosno mjerenje zvijezdinog kretanja kroz svemir koje bi moglo otkriti udaljenije planete. Ono što ga najviše veseli je, doduše, teleskop Nancy Grace Roman koji će biti lansiran 2027. Roman će koristiti mikroleće i mjeriti kako se svjetlo iz pozadinske zvijezde oblikuje gravitacijom zvijezde bliže nama, kao i njezinim planetima, što će teleskopu omogućiti da lovi planete s orbitalnim udaljenostima između onih Zemlje i Saturna, odnosno riječima Luninea - 'zlatne sredine'.

Za otkrivanje detalja o rasporedu čestica, ledenih linija, kondenzacijskih točaka i ostatka planetarne kemije trebat će nam nekoliko desetljeća. Ono što je, tim rečeno, bitno je vrijeme. Ljudska znatiželja možda nema granice, no naši životi imaju, dok nastajanje planeta traje milijunima godina. Sve što mi imamo su slike različitih stadija razvoja.

Batygin, astronom sa Caltecha uspoređuje ovo mukotrpno nastojanje razumijevanja planeta sa modeliranjem životinje. 'Mrav je puno složeniji od zvijezde' kaže Batygin. 'Možete savršeno zamisliti pisanje koda koji obuhvaća funkcionoranje zvijezde dok nikad nećete napraviti model fizike i kemije mrava te se nadati da ćete razumijeti cijelu stvar. U polju otkrivanja tajni formiranja planeta, čovječanstvo se nalazi negdje između mrava i zijezda'.

Pratite nas na društvenim mrežama:

Pregled tjedna bez spama i reklama

Prijavi se na naš newsletter i u svoj inbox primaj tjedni pregled najvažnijih vijesti!