Nachylenie Urana zasadniczo powoduje, że planeta krąży wokół Słońca po swojej stronie, oś obrotu wiruje niemal w kierunku Słońca.
(Zdjęcie: © NASA i Erich Karkoschka, U. of Arizona)
Chociaż planety otaczają gwiazdy w galaktyce, sposób ich powstawania pozostaje przedmiotem dyskusji. Pomimo bogactwa światów w naszym Układzie Słonecznym naukowcy wciąż nie są pewni, jak budowane są planety. Obecnie istnieją dwie teorie na temat roli mistrza.
Pierwsza i najszerzej akceptowana akrecja jąder działa dobrze przy formowaniu planet lądowych, ale ma problemy z planetami gigantycznymi, takimi jak Uran. Druga metoda niestabilności dysku może uwzględniać tworzenie gigantycznych planet.
„Tym, co odróżnia lodowych gigantów od gazowych gigantów, jest ich historia formowania się: podczas wzrostu jądra nigdy nie przekraczała [masy krytycznej] w pełnym dysku gazowym” - napisali w artykule badawczym badacze Renata Frelikh i Ruth Murray-Clay.
Podstawowy model akrecji
Około 4,6 miliarda lat temu układ słoneczny był chmurą pyłu i gazu znaną jako mgławica słoneczna. Grawitacja zapadła się w materiał, gdy zaczął wirować, tworząc słońce w środku mgławicy.
Wraz ze wschodem słońca pozostały materiał zaczął się zlepiać. Małe cząstki złączyły się, związane siłą grawitacji, w większe cząstki. Wiatr słoneczny porywał lżejsze pierwiastki, takie jak wodór i hel, z bliższych regionów, pozostawiając tylko ciężkie, skaliste materiały do tworzenia światów ziemskich. Ale dalej wiatry słoneczne miały mniejszy wpływ na lżejsze elementy, umożliwiając im zlewanie się w gazowych gigantów, takich jak Uran. W ten sposób powstały planetoidy, komety, planety i księżyce.
W przeciwieństwie do większości gazowych gigantów, Uran ma rdzeń bardziej skalisty niż gazowy. Rdzeń prawdopodobnie najpierw uformował się, a następnie zebrał wodór, hel i metan, które tworzą atmosferę planety. Ciepło z rdzenia napędza temperaturę i pogodę Urana, obezwładniając ciepło pochodzące z odległego słońca, które jest prawie 2 miliardy mil stąd.
Niektóre obserwacje egzoplanet wydają się potwierdzać akrecję rdzenia jako dominujący proces formacji. Gwiazdy z większą ilością „metali” - terminu używanego przez astronomów w odniesieniu do pierwiastków innych niż wodór i hel - mają w swoich rdzeniach więcej gigantycznych planet niż ich ubodzy w metal kuzyni. Według NASA rdzeń akrecyjny sugeruje, że małe, skaliste światy powinny być bardziej powszechne niż bardziej masywne gazowe olbrzymy.
Odkrycie w 2005 r. Gigantycznej planety z masywnym jądrem krążącym wokół gwiazdy podobnej do Słońca HD 149026 jest przykładem egzoplanety, która pomogła wzmocnić argument na rzecz akrecji jądra.
„Jest to potwierdzenie teorii akrecji rdzeniowej dla formowania się planet i dowodu, że planety tego rodzaju powinny istnieć w obfitości” - powiedział Greg Henry w komunikacie prasowym. Henry, astronom z Tennessee State University, Nashville, wykrył ściemnienie gwiazdy.
W 2017 r. Europejska Agencja Kosmiczna planuje wystrzelić charakterystyczną satelitę ExOPlanet (CHEOPS), która będzie badać egzoplanety o rozmiarach od super-Ziemi do Neptuna. Badanie tych odległych światów może pomóc określić, w jaki sposób powstały planety w Układzie Słonecznym.
„W scenariuszu akrecji rdzenia jądro planety musi osiągnąć masę krytyczną, zanim będzie w stanie uciec się do gazu w niekontrolowany sposób” - powiedział zespół CHEOPS. „Ta masa krytyczna zależy od wielu zmiennych fizycznych, z których najważniejszą jest szybkość narastania planetozymali”.
Badając, w jaki sposób rosnące planety gromadzą materiał, CHEOPS zapewni wgląd w rozwój światów.
Model niestabilności dysku
Ale potrzeba szybkiego formowania się gigantycznych planet gazowych jest jednym z problemów akrecji rdzenia. Według modeli proces ten trwa kilka milionów lat, dłużej niż lekkie gazy były dostępne we wczesnym układzie słonecznym. Jednocześnie model akrecji rdzenia zmaga się z problemem migracji, ponieważ planety dziecięce najprawdopodobniej spiralnie wkroczą w słońce w krótkim czasie.
„Gigantyczne planety powstają naprawdę szybko, w ciągu kilku milionów lat”, powiedział Kevin Walsh, badacz z Southwest Research Institute w Boulder w Kolorado. „To tworzy limit czasowy, ponieważ dysk gazowy wokół Słońca trwa tylko 4–5 milionów lat”.
Według względnie nowej teorii niestabilność dysku, grudki pyłu i gazu są ze sobą związane na wczesnym etapie życia Układu Słonecznego. Z czasem kępy te powoli zrastają się w gigantyczną planetę. Planety te mogą formować się szybciej niż ich główni rywale akrecyjni, czasami nawet w ciągu tysiąca lat, co pozwala im wychwytywać szybko zanikające lżejsze gazy. Szybko osiągają także masę stabilizującą orbitę, która powstrzymuje ich przed marszem śmierci w słońce.
Gdy naukowcy będą nadal badać planety wewnątrz Układu Słonecznego, a także wokół innych gwiazd, lepiej zrozumieją, w jaki sposób powstał Uran i jego rodzeństwo.
Akrecja żwirowa
Największym wyzwaniem dla akrecji rdzenia jest czas - budowanie olbrzymich gazowych gigantów wystarczająco szybko, aby złapać lżejsze elementy ich atmosfery. Ostatnie badania nad tym, w jaki sposób mniejsze, wielkości kamyków stopiły się ze sobą, tworząc gigantyczne planety nawet 1000 razy szybciej niż wcześniejsze badania.
„To pierwszy model, o którym wiemy, że zaczynasz od dość prostej struktury mgławicy słonecznej, z której tworzą się planety, a kończysz na układzie gigantycznej planety, który widzimy”, astronom Harold Levison, astronom w Southwest Research Institute (SwRI) w Kolorado, powiedział Space.com w 2015 roku.
W 2012 r. Badacze Michiel Lambrechts i Anders Johansen z Lund University w Szwecji zasugerowali, że maleńkie kamyki, po odpisaniu, stanowią klucz do szybkiego budowania gigantycznych planet.
„Pokazali, że resztki kamyków z tego procesu formacji, które wcześniej uważano za nieistotne, mogą w rzeczywistości stanowić ogromne rozwiązanie problemu tworzenia planet” - powiedział Levison.
Levison i jego zespół wykorzystali te badania, aby dokładniej modelować, w jaki sposób małe kamyki mogą tworzyć planety widoczne dzisiaj w galaktyce. Podczas gdy poprzednie symulacje, zarówno duże, jak i średnie obiekty zużywały swoich kuzynów wielkości kamyków w stosunkowo stałym tempie, symulacje Levison sugerują, że większe obiekty zachowywały się bardziej jak łobuziaki, porywając kamyki ze średnich rozmiarów, aby rosły znacznie szybciej oceniać.
„Większe obiekty mają teraz tendencję do rozpraszania mniejszych, bardziej niż mniejsze rozpraszają je z powrotem, więc mniejsze ostatecznie zostają rozproszone z żwirowego dysku” - powiedziała Space.com współautorka badań, Katherine Kretke z SwRI. . „Większy facet w zasadzie znęca się nad mniejszym, aby mogli sami zjeść wszystkie kamyki i mogli dalej rosnąć, tworząc jądra gigantycznych planet”.
Akrecja kamyków jest bardziej prawdopodobna dla gigantycznych planet niż dla ziemskich światów. Według Seana Raymonda z francuskiego uniwersytetu w Bordeaux dzieje się tak dlatego, że „kamyki” są nieco większe i znacznie łatwiejsze do utrzymania poza linią śniegu, wyobrażoną linią, w której gaz jest wystarczająco zimny, aby stać się lodem.
„W przypadku kamyków zdecydowanie lepiej jest przekroczyć linię śniegu”, powiedział Raymond dla Space.com.
Chociaż kamyki działają dobrze dla gazowych gigantów, istnieją pewne wyzwania dla lodowych gigantów. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki o rozmiarach od milimetra do centymetra są wyjątkowo wydajne.
„Akumulują się tak szybko, że trudno jest istnieć lodowym gigantom rdzenie w przybliżeniu w ich obecnych masach rdzeniowych przez znaczną część życia dysku podczas akumulacji osłony gazowej” - napisali Frelikh i Murray-Clay.
„Aby uniknąć niekontrolowanego wzrostu, muszą zakończyć swój wzrost w określonym czasie, kiedy dysk gazowy jest częściowo, ale nie całkowicie wyczerpany”.
Para zaproponowała, że większość akrecji gazu na jądro Urana i Neptuna zbiegło się w czasie z ich oddaleniem od Słońca. Ale co może sprawić, że zmienią dom w Układzie Słonecznym?
Niezły model
Początkowo naukowcy sądzili, że planety uformowały się w tej samej części Układu Słonecznego, w której obecnie żyją. Odkrycie egzoplanet wstrząsnęło wszystkim, ujawniając, że przynajmniej niektóre z najbardziej masywnych obiektów mogą migrować.
W 2005 r. Trio artykułów opublikowanych w czasopiśmie Nature zaproponowało, że Uran i inne gigantyczne planety były związane wokół prawie okrągłych orbit znacznie bardziej zwartych niż obecnie. Otoczył je duży dysk skał i lodów, rozciągający się na około 35 razy odległość Ziemia-Słońce, tuż poza obecną orbitą Neptuna. Nazwali to modelem Nicei, po mieście we Francji, gdzie po raz pierwszy go omawiali. (To wymawiane Neese.)
Gdy planety wchodziły w interakcje z mniejszymi ciałami, rozproszyły większość z nich w stronę słońca. Proces ten zmusił ich do wymiany energii z przedmiotami, wysyłając Saturna, Neptuna i Urana dalej do Układu Słonecznego. W końcu małe obiekty dotarły do Jowisza, co spowodowało, że poleciały na brzeg układu słonecznego lub całkowicie z niego wyszły.
Ruch między Jowiszem a Saturnem doprowadził Urana i Neptuna na jeszcze bardziej ekscentryczne orbity, wysyłając parę przez pozostały dysk lodowy. Część materiału została wyrzucona do wewnątrz, gdzie uderzyła w planety lądowe podczas późnego ciężkiego bombardowania. Inny materiał został wyrzucony na zewnątrz, tworząc Pas Kuipera.
Gdy poruszali się powoli na zewnątrz, Neptun i Uran wymieniali się miejscami. Ostatecznie interakcje z pozostałymi śmieciami spowodowały, że para osiadła na bardziej okrągłych ścieżkach, gdy osiągnęli swoją obecną odległość od słońca.
Po drodze możliwe jest, że jedna lub dwie inne gigantyczne planety zostały wyrzucone z systemu. Astronom David Nesvorny z Southwest Research Institute w Kolorado modelował wczesny układ słoneczny w poszukiwaniu wskazówek, które mogłyby doprowadzić do zrozumienia jego wczesnej historii.
„Na początku układ słoneczny był bardzo inny, z wieloma innymi planetami, być może tak masywnymi jak Neptun, tworzącymi się i rozproszonymi w różnych miejscach”, powiedział Nesvorny dla Space.com.
Niebezpieczna młodzież
Wczesny układ słoneczny był czasem gwałtownych kolizji, a Uran nie był zwolniony. Podczas gdy zarówno powierzchnia Księżyca, jak i Merkurego wykazują ślady bombardowania mniejszymi skałami i asteroidami, Uran najwyraźniej doznał znacznej kolizji z protoplanetą wielkości Ziemi. W rezultacie Uran przechyla się na bok, z jednym biegunem skierowanym w stronę słońca przez pół roku.
Uran jest największym z lodowych gigantów, być może częściowo dlatego, że stracił część swojej masy podczas uderzenia.
