8 Minutės
Kodėl mokslininkai vis dar ginčijasi dėl to, kurios planetos atsirado pirmos mūsų Saulės sistemoje? Daugiau nei keturių dešimtmečių meteoritų analizė, mėnuliniai mėginiai ir robotinės misijos gerokai patikslino mūsų supratimą — tačiau planetą formavimosi tvarka iš protoplanetinio disko vis dar lieka intensyvių tyrimų objektu. Žemiau pateikiamas aiškus konkurencinių teorijų, datavimo metodų ir artėjančių misijų apžvalga, kurios gali padėti pagaliau nustatyti tikslią chronologiją.
How planets are born: pebble-by-pebble or sudden collapse?
Daugeliui tyrėjų vyraujantis planetų formavimosi vaizdinys yra klasikinis akrecijos modelis. Maži dulkių ir ledo grūdeliai susiduria, prilimpa vienas prie kito ir pamažu auga — pirmyn žingsnis po žingsnio, formuodami kamuoliukus (pebbles), tada planetesimalius, o per milijonus metų galiausiai įgauna pakankamą masę, kad taptų pilnavertėmis planetomis. Šis lėtas „iš apačios į viršų“ procesas natūraliai paaiškina Saulės sistemos sluoksniuotą struktūrą: mažos, akmeninės (terestrinės) planetos arčiau Saulės ir masyvūs dujų milžinai toliau nuo centro. Tokia seka paaiškina vidinių ir išorinių planetų cheminius skirtumus, taip pat orbitinius skirtumus ir akrecijos metu susidaręs temperatūros gradientas, lemiantis ledo linijas ir chemines frakcijas diske.
Šioje scenoje dujų milžinai, tokie kaip Jupiteris ir Saturnas, turi suformuotis gana greitai — kol protoplanetinis dujų diskas vis dar yra turtingas vandenilio ir helio dujomis. Jei branduolio augimas sustoja arba diskas išsisklaido anksti, didžios planetos nebesugeba užfiksuoti masyvios atmosferos; būtent todėl daugelis mokslininkų daro išvadą, kad dujų milžinai susiformavo ankstyvoje Saulės sistemos istorijoje. Šis argumentas remiasi tiek dinaminių modelių išvadomis, tiek isotopinių datavimo įkalčiais, rodantiais ankstyvą masės kaupimąsi tam tikruose meteoritų frakcijose.
Vis dėlto egzistuoja konkuruojanti idėja — disko nestabilumas (disk instability), kuri teigia, kad protoplanetinio disko atskiros zonos gali greitai fragmentuotis ir kolapsuoti, formuodamos dideles planetas per daug trumpesnį laikotarpį nei klasikinis akrecijos procesas. Tokia greita genezė leidžia paaiškinti didelių dujų planetų atsiradimą toliau nuo centrinės žvaigždės be ilgo branduolio formavimosi etapo. Be to, pastaraisiais metais išryškėjo ir tarpinis paaiškinimas — „pebble accretion“ (smulkiųjų grūdų akrecija), kurio metu smulkūs aglomeratai efektyviai prilimpa prie augančio branduolio ir per trumpą laiką leidžia jam pasiekti kritinę masę. Tokie spartinti akrecijos mechanizmai gali pakeisti tradicinį formavimosi eiliškumą ir suteikti naujų scenarijų, kaip ir kada formavosi vidinės ir išorinės planetos.
Dating planets: surfaces, meteorites and the limits of timekeeping
Planetų moksle egzistuoja du dažniausiai naudojami amžiaus priskyrimo keliai. Pirmasis matuoja medžiagų, kurios sudarė planetą, amžių — pavyzdžiui, radiometrinis datavimas meteoritams, kurie laikomi ankstyvųjų kūno sudedamosiomis dalimis. Šių meteoritų izotopinės sistemos, tokios kaip U-Pb, Pb-Pb, Al-Mg ar Hf-W, leidžia susieti Saulės sistemos formavimąsi su maždaug 4,56 milijardo metų laikotarpiu. Tokie radiometriniai duomenys sudaro „laiko kilpą“ — geocheminį pagrindą, kuriuo remiantis sudaromos platesnės formavimosi hipotezės ir nustatoma pirmųjų akrecijos etapų trukmė.
Antrasis požiūris orientuojasi į planetos ar palydovo paviršiaus amžių. Kraterių skaičiavimas ir palyginimai tarp skirtingų kūnų leidžia sudaryti santykinę paviršiaus chronologiją: intensyviai kraterizuotos vietovės paprastai yra senesnės, o lygios arba tektoninės veiklos paveiktos zonos atrodo jaunesnės. Žemė, turėdama aktyvią tektoniką, ugnikalnių veiklą ir eroziją, turi akivaizdžiai „jauniausią“ paviršių tarp vidaus planetų; Venera ir Marsas išlaiko senesnes, labiau kraterizuotas vietoves. Kraterių morfologija, dubliavimosi laikas ir paviršiaus perrašymas suteikia vertingą santykinę laiko skalę, kurią reikia sieti su radiometriniais duomenimis, kad būtų rekonstruota išsami planetų evoliucija.
Abu metodai turi ribas ir sistemines netikslumus. Radiometriniai amžiai dažnai gaunami iš meteoritų arba į Žemę grąžintų mėginių — tačiau tie mėginiai gali atspindėti tik fragmentišką planetos istoriją arba tik konkrečius akrecijos etapus. Kraterių skaičiavimas priklauso nuo modeliavimo darinių, susijusių su smūginių kūnų srauto istorija ir nukritusių objektų dydžių pasiskirstymu; šie modeliai įneša netikslumų, kurie gali siekti milijonus metų, o kai kuriais atvejais — net dešimtis milijonų metų. Kaip Michael Meyer, Mičigano universiteto astronomijos skyrių vadovas, sakė žiniasklaidai: "Laikmatavimas kosmose nėra paprastas — tai viena sudėtingiausių užduočių astronomijoje." Šis pareiškimas atspindi tiek metodines, tiek instrumentines iššūkių puses: reikia platesnės duomenų bazės, geresnių izotopinių matavimo metodų ir integruotų dinamikos modelių, kad būtų sumažintos neatitikimų ribos.
Why the order matters — and what it tells us about exoplanets
Supratimas, ar dujų milžinai ar akmeniniai kūnai susiformavo pirmieji, stipriai veikia mūsų suvokimą apie planetinių sistemų architektūrą ir evoliuciją. Jei dujų milžinai susiformavo anksti ir vėliau migravo per diską, jie galėjo išvalyti arba perdistribuoti medžiagas, paveikti pebbles srautą ir planetesimalių išsidėstymą, o tuo pačiu nulemti vietas, kur vėliau galėjo formuotis akmens planetos, įskaitant uolinį Žemės tipo planetų gimimą. Tokia ankstyva migracija gali paaiškinti sistemų, turinčių trūkstamus ar išstumtus vidinius planetų sluoksnius, egzistavimą. Priešingai, jei akmeninės planetos išaugo pirmosios, jos galėjo suformuoti lokalų chemijos ir dinamikos kontekstą, kuriame dujų planetos susiformavo vėliau arba visai neatsirado arti žvaigždės — tai padėtų paaiškinti santykinai mažą artimų dujų milžinų skaičių kai kuriose egzoplanetų sistemose.
Tokios formavimosi eilės ir procesų sekos taip pat duoda svarbias įžvalgas į egzoplanetų tyrimus. Stebėjimai tolimų protoplanetinių diskų, atliekami didelės raiškos teleskopais, atskleidžia žiedus, plyšius, spiralines bangas ir net lokalizuotas temperatūros anomalijas — visos šios struktūros gali būti planetų susidarymo požymiai. Lygindami šiuos diskus su mūsų Saulės sistemos chronologinėmis išvadomis, mokslininkai tobulina modelius, prognozuojančius, kokias planetines sistemas generuoja bendros fizinės ir cheminės sąlygos. Taip pat svarbu identifikuoti ryšius tarp disko masės, zonoje esančio ledo ribos (snow line), akrecijos spartumo ir galutinės planetinės architektūros — visi šie tarpusavyje susiję veiksniai formuoja galutinį planetinių sistemų vaizdą.
What we still need: samples, missions and new observations
Kad pagerintume datavimo tikslumą ir sumažintume nežinomybės, planetų mokslininkai pabrėžia didelę mėginių grąžinimo vertę. Mėnulio uolienos, pargabentos „Apollo“ misijų, revoliucionizavo mūsų gebėjimus datuoti ankstyvus Saulės sistemos įvykius; panašūs, kruopščiai išrinkti mėginiai iš Marso, asteroidų ir ledo dengtų palydovų (pvz., Europa ar Enceladus) suteiktų galimybę aiškiau sukurti chronologinę seką. Kavi Borrellina, planetų mokslų specialistė Purdue universitete, tvirtina, kad „pristatyti nepriekaištingą uolieną į Žemę leidžia atlikti itin tikslius izotopinius tyrimus, reikalingus formavimosi eiliškumo išaiškinimui." Tokie tyrimai gali apimti skirtingų izotopinių sistemų tarpusavio koreliaciją, mikroskopinį mineraloginį tyrimą ir organinių junginių analizę, leidžiančią rekonstruoti antrinių procesų poveikį mėginiams.
Artėjančios misijos — įskaitant plečiamus mėginių grąžinimo projektus ir aukštesnės skiriamosios gebos teleskopus, stebinčius diskus aplink jaunas žvaigždes — žada praturtinti duomenų bazę. Pavyzdžiui, misijos kaip Mars Sample Return, OSIRIS-REx, Hayabusa2 ir būsimos „Europa Clipper“ ar „Lucy“ suteiks ne tik mėginius, bet ir platesnį instrumentinį kontekstą. Tuo tarpu observatorijos, tokios kaip JWST, Extremely Large Telescope (ELT), ALMA ir būsimieji kosminiai teleskopai (pvz., PLATO, ARIEL), leis matyti disko struktūras didesnėje erdvinių mastelių skalėje ir skirtinguose bangų ilgiuose. Ypatingai vertinga bus koordinacija tarp radiometrinių amžių, kraterių statistikos ir dinamikos modelių: integruoti duomenys sumažins netikrumus ir galbūt galutinai atskleis patikimą planetų gimimo tvarką.
Expert Insight
„Mes nebėra tik spekuliacijų erą — dabar nauji mėginiai ir aukštos raiškos vaizdai verčia modelius pateikti testuotinas prognozes,“ sako daktarė Sara Vega, astrofizikė, specializuojanti planetų formavimosi srityje. „Per ateinantį dešimtmetį turėtume sugebėti su tam tikru pasitikėjimu pasakyti, ar milžinai užsėjo pakraščius pirmieji, ar akmeninės pasauliai ėmėsi iniciatyvos ankstyvoje stadijoje." Tokios prasmingos prognozės gali būti patikrintos lyginant mėginių izotopines datas, diskų stebėjimų struktūrą ir dinamikos modelių rezultatus.
Galų gale klausimas, kurios planetos susiformavo pirmos, nėra tik smulkmena: jis sujungia medžiagų chemiją, disko dinamiką ir ilgalaikę planetinę evoliuciją. Turint geresnius laikrodžius — tiek geocheminius, tiek astronominius — mokslininkai nuosekliai pjausto ir dėlioja Saulės sistemos genealoginį medį, atskleisdami, kaip vietinės sąlygos, medžiagų tiekimo grandinės ir dinaminės sąveikos suformavo aplinką, kurioje atsirado Žemės tipo ir dujų planetos. Galiausiai platesnės tiriamosios programos ir tarptautinė bendradarbystė leis sieti vietinius stebėjimus su plačiais teoriniais modeliais, taip žingsnis po žingsnio artinant mus prie tikslios planetų formavimosi kronologijos.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą