Kreditna slika: NASA
Če bi vesoljni astronomi okoli oddaljene zvezde pred štirideset milijardami let preučevali mlado Sonce, bi lahko videli znake novo nastale Zemlje, ki kroži okoli te neškodljive rumene zvezde? Odgovor je pritrdilen, pravijo Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) in Benjamin Bromley (Univerza v Utahu). Poleg tega njihov računalniški model pravi, da lahko z istimi znaki poiščemo mesta, kjer se trenutno oblikujejo planeti velikosti Zemlje - mladi svetovi, ki nekega dne lahko gostijo svoje življenje.
Ključnega pomena za iskanje novorojenih Zemlj, recimo Kenyon in Bromley, je iskati ne samo planet, temveč obroč prahu, ki kroži okoli zvezde, ki je prstni odtis zemeljske (skalnate) planeta.
"Verjetno je, če obstaja obroč prahu, obstaja planet," pravi Kenyon.
Dobre planete je težko najti
Naš osončje je nastalo iz vrtinčevega diska plina in prahu, imenovanega protoplanetarni disk, ki kroži po orbiti mladega Sonca. Po naši galaksiji najdemo iste materiale, zato zakoni fizike napovedujejo, da bodo tudi drugi zvezdni sistemi oblikovali planete na podoben način.
Čeprav so planeti morda pogosti, jih je težko zaznati, ker so preveč slabovidni in se nahajajo preblizu veliko svetlejše zvezde. Zato astronomi iščejo planete tako, da iščejo posredne dokaze o svojem obstoju. V mladih planetarnih sistemih so lahko ti dokazi prisotni na samem disku in kako planet vpliva na prašni disk, iz katerega se oblikuje.
Veliki planeti velikosti Jupiter imajo močno težo. Ta gravitacija močno vpliva na zaprašen disk. En sam Jupiter lahko odstrani obroček v obliki obroča na disku, prevrne disk ali ustvari zgoščene prahu, ki puščajo vzorec na disku, kot bi se z ladje. Prisotnost orjaškega planeta lahko razloži vzorec budnosti, ki ga vidimo na disku okoli 350 milijonov let stare zvezde Vege.
Na drugi strani imajo majhni svetovi velikosti Zemlje šibkejšo težo. Na disk vplivajo šibkeje, puščajo bolj subtilne znake njihove prisotnosti. Namesto da bi iskali osnove ali budnosti, Kenyon in Bromley priporočata, da si ogledata, kako svetel je zvezdast sistem pri infrardeči (IR) valovni dolžini svetlobe. (Infrardeča svetloba, ki jo dojemamo kot toplota, je svetloba z daljšo valovno dolžino in manj energije kot vidna svetloba.)
Zvezde s prašnimi diski so v IR bolj svetle kot zvezde brez diskov. Več prahu, ki ga ima zvezdniški sistem, svetlejši je v IR. Kenyon in Bromley sta pokazala, da astronomi lahko uporabljajo IR svetlost ne le za zaznavanje diska, ampak tudi za ugotavljanje, kdaj se na tem disku oblikuje planet velikosti Zemlje.
"Bili smo prvi, ki smo izračunali pričakovano raven proizvodnje prahu in z njimi povezanih infrardečih presežkov, in prvi, ki so pokazali, da nastajanje kopenskih planetov ustvari opazne količine prahu," pravi Bromley.
Gradnja planetov od zgoraj
Najpogostejša teorija o oblikovanju planetov zahteva gradnjo planetov "od spodaj navzgor". Po koagulacijski teoriji se majhni koščki skalnega materiala v protoplanetarnem disku trčijo in držijo skupaj. Skozi tisoče let majhne grude prerastejo v večje in večje gruče, kot je gradnja snežaka naenkrat peščica. Sčasoma se skalne grude tako razrastejo, da postanejo polnopravni planeti.
Kenyon in Bromley modelirata proces nastajanja planetov s pomočjo zapletenega računalniškega programa. "Seme" protoplanetarnega diska, ki ima milijardo planetesimal v velikosti 0,6 milje (1 kilometer), ki krožijo okrog osrednje zvezde, in pravočasno stopijo v sistem, da bi videli, kako se planeti razvijajo iz teh osnovnih sestavin.
"Simulacijo smo naredili čim bolj realistično in še vedno zaključili izračune v razumnem času," pravi Bromley.
Ugotovili so, da je proces oblikovanja planetov izjemno učinkovit. Na začetku se trki med planetesimalci zgodijo z majhnimi hitrostmi, zato se trčeni objekti ponavadi združijo in rastejo. Na značilni razdalji Zemlja-Sonce traja le približno 1000 let, da 1 kilometrski predmeti prerastejo v 100-kilometrske (60-kilometrske) predmete. Še 10.000 let proizvaja protoplanete s premerom 600 milj, ki v dodatnih 10.000 letih zrastejo v protoplanete s premerom 1200 milj. Tako se lahko predmeti velikosti Lune oblikujejo v samo 20.000 letih.
Ko se planetesimalci znotraj diska večajo in bolj množično, se njihova gravitacija krepi. Ko nekaj predmetov doseže velikost 600 milj, začnejo "mešati" preostale manjše predmete. Gravitacijski prameni prikazujejo manjše koščke velikosti asteroidov v skalah na višje in večje hitrosti. Potujejo tako hitro, da se ob trčenju ne združijo - prašijo se, silovito razbijejo drug drugega. Medtem ko največji protoplaneti še naprej rastejo, se preostali kamniti planetezimalci med seboj meljejo v prah.
"Prah se tvori tam, kjer se planet oblikuje, na isti razdalji od svoje zvezde," pravi Kenyon. Kot rezultat, temperatura prahu kaže, kje se planet oblikuje. Prah v venerini podobni orbiti bo bolj vroč kot prah v zemeljski orbiti, kar bo dalo namig na razdaljo dojenčkovega planeta od njegove zvezde.
Velikost največjih predmetov na disku določa stopnjo nastajanja prahu. Količina prahu doseže vrh, ko se oblikujejo 600 kilometrov protoplaneti.
"Vesoljski teleskop Spitzer bi moral biti sposoben zaznati takšne vrhove prahu," pravi Bromley.
Trenutno Kenij in Bromleyev model zemeljskega oblikovanja planetov pokriva le del osončja, od orbite Venere do razdalje približno na polovici poti med Zemljo in Marsom. V prihodnosti načrtujejo, da bodo model razširili tako, da bo zaobjel orbite tako blizu Sonca kot Merkur in tako oddaljene kot Mars.
Modelirali so tudi oblikovanje Kuiperjevega pasu - območja majhnih ledenih in skalnatih predmetov izven orbite Neptuna. Naslednji logični korak je modeliranje tvorbe plinskih velikanov, kot sta Jupiter in Saturn.
"Začenjamo ob robovih osončja in delujemo navznoter," z nasmehom pove Kenyon. "Tudi množično se ukvarjamo. Zemlja je 1000-krat bolj masivna kot predmet Kuiperjevega pasu, Jupiter pa je 1000-krat bolj masiven od Zemlje. "
"Naš končni cilj je modeliranje in razumevanje tvorbe celotnega našega osončja." Kenyon ocenjuje, da je njihov cilj dosegljiv v desetletju, saj se hitrost računalnika še naprej povečuje, kar omogoča simulacijo celotnega osončja.
Ta raziskava je bila objavljena 20. februarja 2004, v številki časopisa Astrophysical Journal Letters. Dodatne informacije in animacije so na voljo na spletu na naslovu http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
S sedežem v Cambridgeu, Massachusetts, Harvard-Smithsonian Center za astrofiziko je skupno sodelovanje med Smithsonian Astrophysical Observatory in Harvard College Observatory. Znanstveniki organizacije CfA, organizirani v šest raziskovalnih oddelkov, preučujejo nastanek, razvoj in končno usodo vesolja.
Izvirni vir: CfA News Release
