Uranov nagib ima v bistvu planet, ki kroži okoli Sonca na svoji strani, os njegovega vrtenja pa je skoraj usmerjena proti Soncu.
(Slika: © NASA in Erich Karkoschka iz ZDA, Arizona)
Čeprav planeti obkrožajo zvezde v galaksiji, njihovo oblikovanje ostaja predmet razprave. Kljub bogastvu svetov v našem sončnem sistemu znanstveniki še vedno niso prepričani, kako so zgrajeni planeti. Trenutno se za vlogo prvaka podajata dve teoriji.
Prvo in najpogosteje sprejeto jedro, dobro sodeluje pri nastajanju kopenskih planetov, vendar ima težave z velikanskimi planeti, kot je Uran. Druga, metoda nestabilnosti diska, lahko povzroči ustvarjanje velikanskih planetov.
"To, kar ločuje ledene velikane od plinskih velikanov, je njihova zgodovina nastajanja: med rastjo jedra prvi ni nikoli presegel [kritične mase] v polnem plinskem disku," sta v raziskovalnem prispevku zapisala raziskovalca Renata Frelikh in Ruth Murray-Clay.
Model jedrnega jedra
Pred približno 4,6 milijarde let je bil na osončju prah in plin, znan kot sončna meglica. Gravitacija je zgrudila material vase, ko se je začel vrteti, tvori sonce v središču meglice.
Z vzhodom sonca se je preostali material začel strjevati. Majhni delci so se združili, vezani s silo gravitacije, v večje delce. Sončni veter je iz bližjih krajev odplaknil lažje elemente, kot sta vodik in helij, in pustil le težke, skalnate materiale za ustvarjanje zemeljskih svetov. Toda dlje so imeli sončni vetrovi manjši vpliv na svetlejše elemente, kar jim je omogočilo, da so se združili v plinske velikane, kot je Uran. Na ta način so nastali asteroidi, kometi, planeti in lune.
Za razliko od večine plinskih velikanov ima Uran jedro, ki je bolj kamnito in ne plinasto. Najbrž je najprej nastalo jedro, nato pa se je zbralo vodik, helij in metan, ki sestavljajo atmosfero planeta. Toplota iz jedra poganja Uranovo temperaturo in vreme, ki nadzira toploto, ki prihaja iz daljnega sonca, ki je oddaljeno skoraj dve milijardi milj.
Nekatera opazovanja eksoplanetov potrjujejo pritrditev jedra kot prevladujoč proces tvorbe. Zvezde z več "kovinami" - izraz, ki ga astronomi uporabljajo za druge elemente razen vodika in helija - imajo v svojih jedrih več velikanskih planetov kot njihovi bratranci s kovino. Po besedah NASA jedrni del kaže na to, da bi morali biti majhni, kamniti svetovi pogostejši od množičnejših plinskih velikanov.
Odkritje velikanskega planeta iz leta 2005 z masivnim jedrom, ki kroži po orbiti sonca podobne zvezde HD 149026, je primer eksoplaneta, ki je pripomogel k krepitvi primera za kopičenje jedra.
"To je potrditev jedrske teorije o tvorbi planetov in dokaz, da bi morali takšni planeti obstajati v izobilju," je v sporočilu za javnost dejal Greg Henry. Henry, astronom z univerze v državi Tennessee, Nashville, je zaznal zatemnitev zvezde.
Leta 2017 Evropska vesoljska agencija načrtuje zagon značilnega satelita ExOPlanet (CHEOPS), ki bo preučeval eksoplanete v velikosti od super-Zemlje do Neptuna. Preučevanje teh oddaljenih svetov lahko pomaga ugotoviti, kako so se oblikovali planeti v osončju.
"V scenariju osnovnega kopičenja mora jedro planeta doseči kritično maso, preden bo lahko bežalo na plin," je dejala ekipa CHEOPS. "Ta kritična masa je odvisna od številnih fizikalnih spremenljivk, med katerimi je najpomembnejša hitrost nabiranja planetesimal."
S preučevanjem, kako rastoči planeti kopičijo material, bo CHEOPS omogočil vpogled v rast svetov.
Model nestabilnosti diska
Toda potreba po hitri tvorbi za velikanske plinske planete je eden od težav pri kopičenju jedra. Po modelih postopek traja nekaj milijonov let, dlje, kot so bili svetlobni plini na voljo v zgodnjem sončnem sistemu. Hkrati se model jedrnega jedra sooča s migracijskim problemom, saj se bodo otroški planeti v kratkem času lahko spirali na sonce.
"Ogromni planeti se v nekaj milijonih let oblikujejo zelo hitro," je za Space.com povedal Kevin Walsh, raziskovalec jugozahodnega raziskovalnega inštituta v Boulderju v Koloradu. "To ustvarja časovno omejitev, ker plinski disk okoli sonca traja le 4 do 5 milijonov let."
Po razmeroma novi teoriji se nestabilnost diska, gruče prahu in plina vežejo že zgodaj v življenju sončnega sistema. Sčasoma se te grupice počasi strdijo v velikanski planet. Ti planeti se lahko tvorijo hitreje kot njihovi osnovni tekmeci iz akrekcije, včasih v samo tisoč letih, kar jim omogoča, da ujamejo hitro izginjajoče lažje pline. Prav tako hitro dosežejo maso, ki stabilizira orbito, kar jih prepreči, da bi smrt stopila na sonce.
Ko bodo znanstveniki še naprej preučevali planete znotraj osončja, pa tudi okoli drugih zvezd, bodo lažje razumeli, kako se je oblikoval Uran in njegovi sorojenci.
Prodnata prodnata
Največji izziv jedrskemu vraščanju je čas - graditi ogromne plinske velikane dovolj hitro, da zgrabijo lažje sestavine svojega ozračja. Nedavne raziskave, kako se manjši predmeti velikosti kamenčkov zlijejo skupaj, da bi zgradili orjaške planete do 1000-krat hitreje kot prejšnje študije.
"To je prvi model, za katerega vemo, da začnete s precej preprosto strukturo sončne meglice, iz katere se oblikujejo planeti, in končate s sistemom velikanskih planetov, ki ga vidimo," glavni avtor študije Harold Levison, astronom na raziskovalnem inštitutu Southwest (SwRI) v Koloradu, je za Space.com povedal leta 2015.
Leta 2012 sta raziskovalca Michiel Lambrechts in Anders Johansen z univerze Lund na Švedskem predlagala, da bi drobni kamenčki, ki so bili enkrat odpisani, ključni za hitro gradnjo velikanskih planetov.
"Pokazali so, da bi lahko ostanki kamenčkov iz tega procesa tvorjenja, za katerega se je prej zdelo, da niso pomembni, dejansko resnično rešitev za oblikovanje planetov," je dejal Levison.
Levison in njegova ekipa sta gradili na tej raziskavi, da bi natančneje modelirali, kako lahko drobni kamenčki oblikujejo planete, ki jih danes vidimo v galaksiji. Medtem ko so v prejšnjih simulacijah tako veliki kot srednje veliki predmeti porabljali svoje rodovnike, ki so kamenčki velikega števila sorazmerno hitrosti, Levisonove simulacije kažejo, da so večji predmeti delovali bolj kot nasilneži in odstranjevali kamenčke iz srednje velikih množic, da bi zrasli precej hitreje oceniti.
"Večji predmeti zdaj ponavadi raztresejo manjše, kot manjši jih raztresejo nazaj, tako da manjši na koncu raztresejo iz prodnatega diska," je za Space.com povedala soavtorica študije Katherine Kretke, tudi s SwRI. . "Večji fant v osnovi ustrahuje manjšega, da lahko sami pojeste vse kamenčke in lahko še naprej odraščajo, da tvorijo jedra velikanskih planetov."
Prodnate prodnice pogosteje delujejo za orjaške planete kot kopenski svet. Po besedah Seana Raymonda iz francoske univerze v Bordeauxu je to zato, ker so "kamenčki" nekoliko večji in se veliko lažje držijo mimo snežne črte, namišljene proge, kjer je plin dovolj hladen, da postane led.
"Za kamenčke je vsekakor malo bolje biti tik ob snežni črti," je za Space.com povedal Raymond.
Medtem ko prodnati prodniki dobro delujejo na plinske velikane, imajo ledeni velikani nekaj izzivov. To je zato, ker delci velikosti milimetra do centimetra izstopajo izredno učinkovito.
"Akretirajo se tako hitro, da ledena orjaška jedra težko obstajajo pri približno sedanji masi jedra za pomemben del življenjske dobe diska, medtem ko pridobivajo plinsko ovojnico," sta zapisala Frelikh in Murray-Clay.
"Da bi se izognili begu, morajo svojo rast dokončati ob točno določenem času, ko je plinski disk delno, vendar ne v celoti, izčrpan."
Par je predlagal, da se večina plina na jedru Urana in Neptuna ujema z njihovim odmikom od sonca. Toda kaj bi jih lahko prisililo, da bodo spremenili svoj dom v osončju?
Lep model
Prvotno so znanstveniki menili, da se planeti oblikujejo v istem delu osončja, v katerem živijo danes. Odkritje eksoplanetov je pretreslo stvari in razkrilo, da bi se lahko vsaj nekateri najbolj množični predmeti preselili.
Leta 2005 je trio prispevkov, objavljenih v reviji Nature, predlagal, da bi se Uran in drugi orjaški planeti v skoraj krožni orbiti priklonili veliko bolj kompaktno kot danes. Obkrožil jih je velik disk kamnin in ledu, ki se je raztezal na približno 35-kratni razdalji Zemlja-sonce, tik za sedanjo orbito Neptuna. To so poimenovali model Nice, po mestu v Franciji, kjer so ga prvič razpravljali. (To se izgovori Neese.)
Ko so planeti medsebojno delovali z manjšimi telesi, so večino razpršili proti soncu. Proces je povzročil, da so s predmeti trgovali z energijo, zato so Saturn, Neptun in Uran pošiljali dlje v osončje. Sčasoma so majhni predmeti dosegli Jupiter, ki jih je poslal na rob sončnega sistema ali povsem iz njega.
Gibanje med Jupitrom in Saturnom je Uran in Neptun popeljalo v še bolj ekscentrične orbite, ki so par poslale skozi preostali disk led. Nekaj materiala je bilo odvrženo navznoter, kjer se je med poznim težkim bombardiranjem strmoglavilo v zemeljske planete. Ostali material je bil vržen navzven in ustvaril je Kuiperjev pas.
Ko so se počasi premikali navzven, sta Neptun in Uran trgovala na mestih. Sčasoma so medsebojni vplivi s preostalimi naplavinami dosegli par krožnejših poti, ko so dosegli trenutno oddaljenost od sonca.
Ob poti je mogoče, da so iz sistema vrgli enega ali celo dva druga velika planeta. Astronom David Nesvorny iz raziskovalnega inštituta Southwest v Koloradu je modeliral zgodnji sončni sistem v iskanju namigov, ki bi lahko privedli do razumevanja njegove zgodnje zgodovine.
"V zgodnjih dneh se je sončni sistem zelo razlikoval, z veliko več planeti, morda tako masivni kot Neptun, ki se tvorijo in so raztreseni po različnih krajih," je za Space.com povedal Nesvorny.
Nevarna mladina
Zgodnji sončni sistem je bil čas silovitih trkov in Uran ni bil izvzet. Medtem ko površina Lune in Merkura kažeta na obstreljevanje manjših kamnin in asteroidov, je Uran očitno doživel močno trčenje s protoplanetom velikosti Zemlje. Zaradi tega se Uran prevrne na boku, en pol pa pol leta usmeri proti soncu.
Uran je največji izmed ledenih velikanov, morda deloma tudi zato, ker je med udarcem izgubil del svoje mase.
