Źródło zdjęcia: NASA
Gdyby obcy astronomowie wokół odległej gwiazdy badali młode Słońce cztery i pół miliarda lat temu, czy mogliby zobaczyć znaki nowo uformowanej Ziemi krążącej wokół tej nieszkodliwej żółtej gwiazdy? Odpowiedź jest twierdząca - twierdzą Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) i Benjamin Bromley (University of Utah). Co więcej, ich model komputerowy mówi, że możemy użyć tych samych znaków, aby zlokalizować miejsca, w których obecnie kształtują się planety wielkości Ziemi - młode światy, które pewnego dnia mogą być gospodarzem własnego życia.
Kluczem do zlokalizowania nowonarodzonych Ziem, jak twierdzą Kenyon i Bromley, jest szukanie nie samej planety, ale pierścienia pyłu krążącego wokół gwiazdy, który jest odciskiem palca formacji ziemskiej (skalistej).
„Istnieje prawdopodobieństwo, że jeśli pojawi się pierścień pyłu, istnieje planeta”, mówi Kenyon.
Trudno znaleźć dobre planety
Nasz układ słoneczny uformował się z wirującego dysku gazu i pyłu, zwanego dyskiem protoplanetarnym, krążącym wokół młodego Słońca. Te same materiały znajdują się w całej naszej galaktyce, więc prawa fizyki przewidują, że inne układy gwiazdowe będą tworzyć planety w podobny sposób.
Chociaż planety mogą być powszechne, są trudne do wykrycia, ponieważ są zbyt słabe i znajdują się zbyt blisko znacznie jaśniejszej gwiazdy. Dlatego astronomowie poszukują planet, szukając pośrednich dowodów ich istnienia. W młodych systemach planetarnych dowody te mogą znajdować się w samym dysku i w jaki sposób planeta wpływa na zakurzony dysk, z którego się tworzy.
Duże planety wielkości Jowisza mają silną grawitację. Grawitacja silnie wpływa na zakurzony dysk. Pojedynczy Jowisz może wyczyścić szczelinę w kształcie pierścienia na dysku, wypaczać dysk lub tworzyć skoncentrowane pokosy pyłu, które pozostawiają wzór na dysku niczym kilwater z łodzi. Obecność gigantycznej planety może wyjaśnić podobny do przebudzenia wzór widoczny na dysku wokół 350-letniej gwiazdy Vegi.
Z drugiej strony małe światy wielkości Ziemi mają słabszą grawitację. Wpływają na dysk słabiej, pozostawiając subtelniejsze oznaki ich obecności. Zamiast szukać wypaczeń lub przebudzeń, Kenyon i Bromley zalecają, aby zobaczyć, jak jasny jest system gwiazd przy długościach fal podczerwonych (IR). (Światło podczerwone, które postrzegamy jako ciepło, to światło o dłuższych falach i mniejszej energii niż światło widzialne).
Gwiazdy z zakurzonymi dyskami są jaśniejsze w podczerwieni niż gwiazdy bez dysków. Im więcej pyłu utrzymuje układ gwiezdny, tym jaśniej jest w podczerwieni. Kenyon i Bromley wykazali, że astronomowie mogą używać jasności podczerwieni nie tylko do wykrywania dysku, ale także do określania, kiedy planeta wielkości Ziemi formuje się w tym dysku.
„Jako pierwsi obliczyliśmy oczekiwany poziom produkcji pyłu i związane z nim nadwyżki podczerwieni, a jako pierwsi wykazaliśmy, że formowanie się planet naziemnych wytwarza obserwowalne ilości pyłu”, mówi Bromley.
Budowanie planet od podstaw
Najbardziej rozpowszechniona teoria powstawania planet wymaga budowania planet „od zera”. Zgodnie z teorią koagulacji małe kawałki materiału skalistego w dysku protoplanetarnym zderzają się i sklejają. Przez tysiące lat małe kępy rosną w coraz większe kępy, jak budowanie bałwana po jednej garście śniegu na raz. W końcu skaliste kępy stają się tak duże, że stają się pełnoprawnymi planetami.
Kenyon i Bromley modelują proces formowania się planet za pomocą złożonego programu komputerowego. „Zasiewają” dysk protoplanetarny o wielkości miliarda planetozymali o wielkości 0,6 mil (1 km), wszystkie krążące wokół gwiazdy centralnej, i przesuwają system do przodu, aby zobaczyć, jak planety ewoluują z tych podstawowych składników.
„Zrobiliśmy symulację tak realistyczną, jak to tylko możliwe i nadal wykonujemy obliczenia w rozsądnym czasie”, mówi Bromley.
Odkryli, że proces formowania się planety jest niezwykle wydajny. Początkowo zderzenia między planetozymalami zachodzą przy niskich prędkościach, więc zderzające się obiekty mają tendencję do łączenia się i wzrostu. W typowej odległości Ziemia-Słońce potrzeba około 1000 lat, aby 1-kilometrowe obiekty urosły w 100-kilometrowe (60 mil) obiekty. Kolejne 10 000 lat produkuje protoplanety o średnicy 600 mil, które rosną przez dodatkowe 10 000 lat, by stać się protoplanetami o średnicy 1200 mil. Dlatego obiekty wielkości Księżyca mogą powstać w ciągu zaledwie 20 000 lat.
Gdy planetozymale wewnątrz dysku stają się większe i bardziej masywne, ich grawitacja rośnie. Gdy kilka obiektów osiągnie rozmiar 600 mil, zaczynają „mieszać” pozostałe mniejsze obiekty. Grawitacja procy mniejszych kawałków skały wielkości asteroidy do coraz wyższych prędkości. Podróżują tak szybko, że kiedy się zderzają, nie łączą się - rozpylają, gwałtownie się rozbijając. Podczas gdy największe protoplanety nadal rosną, reszta skalistych planetozymali miele się w pył.
„Pył tworzy się dokładnie tam, gdzie formuje się planeta, w tej samej odległości od gwiazdy”, mówi Kenyon. W rezultacie temperatura pyłu wskazuje, gdzie formuje się planeta. Pył na orbicie podobnej do Wenus będzie gorętszy niż pył na orbicie podobnej do Ziemi, dając wskazówkę co do odległości planety niemowlęcia od jej gwiazdy.
Rozmiar największych obiektów na dysku określa szybkość produkcji pyłu. Ilość pyłu wzrasta, gdy powstają 600-milowe protoplanety.
„Teleskop kosmiczny Spitzer powinien być w stanie wykryć takie szczyty pyłu”, mówi Bromley.
Obecnie model formowania planet ziemskich Kenyon i Bromley obejmuje tylko ułamek Układu Słonecznego, od orbity Wenus do odległości około połowy drogi między Ziemią a Marsem. W przyszłości planują rozszerzyć model, aby objął orbity tak blisko Słońca jak Merkury i tak odległe jak Mars.
Wymodelowali także formowanie Pasa Kuipera - regionu małych, lodowych i skalistych obiektów poza orbitą Neptuna. Kolejnym logicznym krokiem jest modelowanie powstawania gazowych gigantów, takich jak Jowisz i Saturn.
„Zaczynamy na obrzeżach Układu Słonecznego i pracujemy do wewnątrz” - mówi Kenyon z szerokim uśmiechem. „Pracujemy także masowo. Ziemia jest 1000 razy masywniejsza niż obiekt Pasa Kuipera, a Jowisz jest 1000 razy masywniejszy niż Ziemia. ”
„Naszym ostatecznym celem jest modelowanie i zrozumienie powstawania całego Układu Słonecznego.” Kenyon szacuje, że ich cel jest osiągalny w ciągu dekady, ponieważ prędkość komputera stale rośnie, umożliwiając symulację całego układu słonecznego.
Badanie zostało opublikowane w numerze The Astrophysical Journal Letters z 20 lutego 2004 r. Dodatkowe informacje i animacje są dostępne online pod adresem http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics z siedzibą w Cambridge, Massachusetts, jest wspólną współpracą Smithsonian Astrophysical Observatory i Harvard College Observatory. Naukowcy CfA, zorganizowani w sześć dywizji badawczych, badają pochodzenie, ewolucję i ostateczny los wszechświata.
Oryginalne źródło: CfA News Release
