Czy gdyby obcy astronomowie żyjący wokół odległej gwiazdy, zaczeliby badać młode Śłońce 4,5 miliarda lat temu, to możliwe, że zobaczyli znaki nowo formującej się Ziemi orbitującej wokół żółtej gwiazdy? Odpowiedź na to pytanie według Scotta Kenyona z Smithsonian Astrophysical Observatory i Benjamina Bromleya z University of Utah, brzmi tak. Według ich modelu komputerowego, można wykorzystać te same przejawy kształtowania się planety do znalezienia miejsc gdzie ziemiopodobne planety obecnie się formują.

Kluczem do zlokalizowania nowonarodzonej Ziemi, według Kenyona i Bromleya, nie jest szukanie planety jako takiej, ale poszukiwanie pierścienia pyłu, który jest “odciskiem palca” nowo formujących się planet. “Są duże szanse, że jeżeli jest pierścień złożony z pyłu to jest i planeta” – powiedział Kenyon.

Odpowiednie planety są trudne do znalezienia. Nasz Układ Słoneczny uformował się z wirującego dysku gazu i pyłu, nazywanego dyskiem protoplanetarnym, orbitującym wokół młodego Słońca. Te same materiały są znajdowane w całej galaktyce, więc prawa fizyki przewidują, że wokół innych gwiezdnych systemów uformują się planety w podobny sposób.

Chociaż planety mogą być powszechne, to są trudne do zaobserwowania, ponieważ są za słabo widoczne i krążą za blisko o wiele jaśniejszych gwiazd. Astronomowie szukają planet poprzez pośdrednie dowody ich obecności. W młodych systemach planetarnych, ten dowód znajduje się w dyskach protoplanetarnych i w tym jak planeta oddziałuje na dysk, z którego powstała.

Duże, Jowiszo podobne planety silnie oddziaływują grawitacyjnie. Ta grawitacja ma silny wpływ na dysk pyłowy. Pojedyncze Jowisze mogą stworzyć w dysku dziurę, wykrzywić dysk, albo stworzyć koncentracje pyłu, które powodują w dysku ślad, który wygląda jakby przepłynęła po nim łódź. Obecność gazowych gigantów może wytłumaczyć takie wzory wokół Vegi, gwiazdy, która ma dopiero 350 milionów lat.

Małe ziemiopodobne światy mają mniejszą grawitację. Ich wpływ na dysk jest o wiele słabszy i zostawiają o wiele subtelniejsze ślady swojej obecności. Raczej zamiast szukając wypaczeń, Kenyon i Bromley zalecają szukanie gwiazd jasnych w podczerwieni.

Gwiazdy z dyskami pyłowymi są jaśniejsze w podczerwieni niż gwiazdy bez dysków. Gwiazdy z większą ilością pyłu w systemie, są jaśniejsze w promieniowaniu podczerwonym. Kenyon i Bromley pokazali jak astronomowie mogą używać podczerwieni nie tylko do odnajdywania dysków, ale także mogą one powiedzieć gdzie ziemiopodobne planety tworzą się w dysku.

My pierwsi obliczyliśmy oczekiwane poziomy pyłu produkowanego i powiązanego z promieniowaniem podczerwonym, a także pierwsi zademonstrowaliśmy jak formowanie sie ziemskiej planety zwiększa ilość pyłu” – powiedział Bromley.

Najbardziej rozpowszechniona teoria o formowaniu się planet mówi o budowaniu planet “od podstaw“. Według teorii koagulacji, małe części sklejają się w coraz większe i większe, tak jak podczas budowania bałwana ze śniegu. Ewentualnie skalne bryły urastają do takich rozmiarów, że stają się prawdziwymi planetami.

Model formowania się planet Kenyona i Bromleya powstał dzięki komputerowemu programowi. “Zasiali” protoplanetarny dysk miliardem planetozymali o wielkości 1 km. Wszystkie okrążały centralną gwiazdę. Cały system został puszczony w ruch aby zobaczyć jak planety ewoluują z tych pierwotnych elementów. “Stworzyliśmy symulację tak realistyczną jak mogliśmy i wszystko oblicza w rozsądnym czasie“- powiedział Bromley.

Ten proces formowania się planet jest niezwykle skuteczny. Pierwsze kolizje pomiędzy planetozymalami są raczej mało brutalne, więc zderzające się obiekty mają skłonność do łączenia się i rozrastania. W typowej odległości jak Ziemia – Słońce 1 kilometrowemu obiektowi zajmuje około 1000 lat złączenie się w 100 kilometrowy obiekt. W ciągu następnych 10 000 lat powstają 1000 km protoplanety, który w ciągu dodatkowych 10 000 lat stają się 2000 km protoplanetami.

Tak jak planetozymale rosną i stają się bardziej masywne, tak samo ich grawitacja rośnie. Obiekty o rozmiarze około 1000 km zaczynają przyciągać mniejsze obiekty. Grawitacyjnie przyśpieszają małe, obiekty wielkości asteroid, do coraz większych prędkości. Podruszają się one z tak szybko, że gdy zderzają się to nie sklejają się tylko rozbijają się bardzo brutalnie. Gdy większe protoplanety ciągle rosną, to reszta skalnych planetozymali ściera się na proch.

Pył, z którego formowały się planety, znajduję się w tej samej odległości od gwiazdy” – powiedział Kenyon. Rezultatem jest zwiększanie się temperatury pyłu tam gdzie planeta się formowała. Pył znajdujący się na orbicie podobnej do orbity Wenus jest gorętszy niż pył znajdujący się na orbicie ziemskiej, dając wskazówkę gdzie się znajduje nowonarodzona gwiazda. Rozmiar największych obiektów w dysku, determinuje tempo produkcji pyłu. Ilość pyłu jest największa przy 1000 km uformowanych protoplanetach. “Spitzer Space Telescope powinien zaobserwować takie ilości pyłu” – powiedział Bromley.

Obecnie model formowania się ziemiopodobnych planet Kenyona i Bromleya pokrywa tylko część Układu Słonecznego od orbity Wenus do połowy odległości pomiędzy Ziemią a Marsem. W przyszłości planują rozszerzyć model, aby pokryć orbity planet bliskich Słońca takich jak Merkury i odleglejszych jak Mars.

naukowcy modelują również formowanie się Pasa Kupiera – regionu małych, lodowych i skalnych obiektów znajdujących się za orbitą Neptuna. Następnym logicznym krokiem jest modelowanie formowania się gazowych gigantów takich jak Jowisz czy Saturn.

Startujemy z krawędzi i idziemy do środka. Także pracujemy nad masą. Ziemia jest 1000 razy masywniejsza niż obiekt Pasa Kupiera a Jowisz jest 1000 razy masywniejszy niż Ziemia” – powiedział Kenyon. “Naszym celem jest modelowanie i zrozumienie formowania się całego Układu Słonecznego” – Kenyon uważa, że ich cel zostanie zrealizowany do końca dekady, gdy wzrost prędkości komputerów pozwoli na symulowanie całego Systemu Słonecznego.

Ten badania zostały opublikowane 20 lutego 2004 roku w artykule w Astrophysical Journal.

Autor

Wojciech Lizakowski