Układ Słoneczny to chaotyczny, ogromny zbiór gruzu utrzymywanego razem przez grawitację. W jego centrum znajduje się Słońce – zwykła gwiazda w galaktyce Drogi Mlecznej, wokół której krążą wszystkie inne obiekty. Teraz liczymy osiem planet. (Kiedyś było ich dziewięć, jeśli wciąż czekasz na powrót Plutona.) Te planety mają ponad 400 znanych księżyców. Są też asteroidy, z których niektóre mają własne maleńkie księżyce. Komety. Ciała lodowe. A ośrodek międzyplanetarny to ogromna przestrzeń wypełniona rozrzedzonym gazem i pyłem, który wypełnia pustkę.
Cały ten system znajduje się w „obserwowalnym wszechświecie”. Jest to część przestrzeni, którą ludzie mogą faktycznie zobaczyć lub teoretycznie obserwować za pomocą technologii. Co jest dalej? Być może nieskończoność. Nie wiemy. Wiemy tylko, że nasze lokalne środowisko jest skończone.
Starożytni astronomowie nie potrzebowali satelitów. Mieli gołe oczy. Obserwowali Słońce. Księżyc. Najjaśniejsze planety. Śledzenie ich ruchów dało początek astronomii. Dziś mamy wystarczającą ilość danych na temat ruchu planet, ich właściwości i składu, aby zapełnić biblioteki. Nasze instrumenty wskazują daleko poza Układ Słoneczny, na inne galaktyki i na krawędź znanego Wszechświata.
Ale o to chodzi. Układ Słoneczny pozostaje granicą naszego fizycznego zasięgu. Stanowi także podstawę naszego teoretycznego rozumienia kosmosu. Wysłaliśmy sondy i lądowniki, które chodziły po powierzchniach i szybowały w atmosferach. Dane te uzupełniają pomiary uzyskane za pomocą teleskopów znajdujących się zarówno pod, jak i nad atmosferą ziemską. Są one mieszane z informacjami uzyskanymi z meteorytów i próbek Księżyca przywiezionych przez astronautów.
Wszystkie te informacje są dokładnie analizowane w celu szczegółowego zrozumienia pochodzenia i ewolucji Układu Słonecznego.
Astronomowie wciąż czynią ogromne postępy w kierunku tego celu. Zbieramy fragmenty tego, jak to wszystko się zaczęło.
Skład Układu Słonecznego
Z czego się składa? Głównie z wodoru i helu w Słońcu. Ale co z resztą? Kamienie. Lód. Gaz. Pył. Skład różni się znacznie w zależności od tego, gdzie patrzysz. Bliżej Słońca dominują skały. Daleko za nim jest lód. Ośrodek międzyplanetarny spaja to wszystko cienką mgłą. Wciąż ustalamy dokładne proporcje i rozkład. Wiemy jednak, że nie jest to jednorodne.
Słońce nie tylko jest bezczynne. Podtrzymuje Układ Słoneczny. Ponad 99 procent jej całkowitej masy skupia się w tej pojedynczej gwieździe. Jego grawitacja utrzymuje wszystko inne na swoich orbitach. Bez niego planety poleciałyby w ciemność.
Kolejność planet zależy od ich odległości od Słońca. Merkury jest najbliżej. Wenus podąża za nimi. Następna jest Ziemia. Mars znajduje się po drugiej stronie pasa asteroid. Za nim królują olbrzymy. Jupiter. Saturn. Uran. Neptun.
Większość z tych światów nie jest sama. Od Jowisza po Neptuna wszystkie mają pierścienie. Tylko Merkury i Wenus nie mają satelitów. Pozostałe planety mają jednego lub więcej satelitów.
Pluton pozostawał poza radarem przez dziesięciolecia. Odkryta w 1930 roku, znajdowała się poza orbitą Neptuna jako dziewiąta planeta. Zmieniło się to w 1992 roku. Astronomowie odkryli jeszcze bardziej odległy obiekt lodowy. Potem pojawili się inni. I inni.
Pojawiła się Eris. Wydawała się wielka jak Pluton. Być może nawet więcej.
Ta świadomość uderzyła wszystkich. Pluton nie był wyjątkowy. Był tylko jednym z wielu dużych obiektów w nowej klasie populacji. Nazywano go Pasem Kuipera.
To nagromadzenie ciał lodowych wymagało rewizji definicji. Co uważa się za planetę?
W tej sytuacji interweniowała Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU). Ma moc klasyfikowania obiektów astronomicznych. Głosowanie odbyło się w sierpniu 2006 r.
Pluton stracił swój status. Nie zostało usunięte. Został przeklasyfikowany.
Nowa etykieta: planeta karłowata.
Dlaczego Pluton został przeklasyfikowany
Decyzja MAK nie była arbitralna. Opierało się to na konsekwencji. Jeśli Pluton pozostaje planetą, dlaczego nie Eris? Dlaczego nie Ceresa? Dlaczego nie dziesiątki innych dużych obiektów Pasa Kuipera odkrytych na początku XXI wieku?
Definicja ma znaczenie. Planeta musi oczyścić swoją orbitę. Pluton dzieli swoją przestrzeń z niezliczonymi innymi obiektami Pasa Kuipera. Nie oczyścił ich. Jest tylko jednym z wielu.
Ta zmiana pokazuje, jak nauka odkrywa się na nowo. Nowe dane powodują upadek starych kategorii. Układ Słoneczny nie jest statyczny. Nasze rozumienie tego również nie ulega zmianie.
Pas Kuipera pozostaje niezbadanym terytorium. Zadrapaliśmy tylko jego powierzchnię. Prawdopodobnie na odkrycie czeka jeszcze wiele innych obiektów. Każdy z nich dodaje nowe szczegóły do historii powstawania Układu Słonecznego.
Obniżenie klasy Plutona nie było stratą. To była poprawka. Umieściło planetę karłowatą we właściwym kontekście. Nie jako anomalia. Ale jako członek większej rodziny.
Układ Słoneczny to nie tylko zbiór dużych obiektów. Jest pełen resztek. Wszystko, co nie jest Słońcem, planetą, planetą karłowatą lub księżycem, należy do ogólnej kategorii: małe ciała Układu Słonecznego. Do tej grupy zaliczają się asteroidy, meteoroidy i komety. To pole gruzu naszego kosmicznego sąsiedztwa.
Ponad milion asteroid, zwanych także mniejszymi planetami, leży w prawie płaskim pierścieniu pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. To jest pas asteroid. To miejsce gęsto zaludnione, ale pozbawione dramatyzmu. Skały te poruszają się po stabilnych, przewidywalnych orbitach, stanowiąc pozostałość materiału skalistego, któremu nie udało się połączyć w planetę.
Potem są mniejsze kawałki. Wszystko, co ma mniej niż kilkadziesiąt metrów średnicy, jest często nazywane meteoroidem. To rozróżnienie ma znaczenie. Oddziela wędrujące skały kosmiczne od większych ciał asteroid. Tych malutkich podróżników zamieszkuje przestrzeń międzyplanetarną w miliardach. Są pyłem i gruzem Układu Słonecznego.
Magazyny lodu
Komety opowiadają inną historię. Jest ich kilka miliardów ukrywających się w ciemności. Są w dwóch różnych zbiornikach. Są to magazyny lodowatej historii Układu Słonecznego.
Bardziej odległy z nich to Obłok Oorta. Jest to kulista powłoka otaczająca cały Układ Słoneczny. Leży w oszałamiającej odległości około 50 000 jednostek astronomicznych (AU). Dla porównania jest to ponad 1000 razy większa odległość do orbity Plutona. Jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemi od Słońca – około 150 milionów kilometrów. Obłok Oorta jest zimnym, ciemnym więzieniem dla komet długookresowych.
Drugi zbiornik jest bliżej. To jest Pas Kuipera. Jest to gruby obszar w kształcie dysku. Jego główne stężenie rozciąga się na 30–50 au. od Słońca. Leży poza orbitą Neptuna. Obejmuje nawet część orbity Plutona. Pas Kuipera jest domem dla komet krótkookresowych i lodowych planet karłowatych.
Lodowe światy i dryf grawitacyjny
Tak jak asteroidy są skalistymi fragmentami planet wewnętrznych, tak obiekty Pasa Kuipera są ich lodowymi odpowiednikami. Pluton, jego księżyc Charon, Eris i niezliczona ilość innych to pozostałości po lodowych ciałach, które utworzyły jądra Neptuna i Urana. Są to elementy składowe, które zostały wyrzucone lub wyrzucone.
Ze względu na to pochodzenie Pluton i Charon można uznać za bardzo duże jądra komet. Zasadniczo są to brudne kule śnieżne, które nigdy nie nagrzały się wystarczająco, aby odparować.
Następnie są centaury. Jest to populacja jąder komet o średnicach dochodzących do 200 km. Krążą wokół Słońca pomiędzy orbitami Jowisza i Neptuna. Są niestabilne. Prawdopodobnie znalazły się tam z powodu zaburzeń grawitacyjnych, które przeniosły je do wewnątrz z Pasa Kuipera. To kosmiczni wędrowcy uwięzieni pomiędzy gigantami.
Przestrzeń pomiędzy tymi obiektami nie jest pusta. To jest ośrodek międzyplanetarny. To niezwykle rzadka plazma. Jest to zjonizowany gaz posypany cząsteczkami pyłu. Rozciąga się od Słońca do około 123 jednostek astronomicznych. To niewidzialny płyn kosmiczny.
Goście z innych miejsc
Układ Słoneczny zawiera nawet obiekty z przestrzeni międzygwiazdowej. Po prostu przelatują. Nie należą do studni grawitacyjnej naszego Słońca. Odkryto dwa takie obiekty międzygwiazdowe. To zmienia wszystko, co myśleliśmy o izolacji naszej okolicy.
Pierwszym z nich było „Oumuamua”. Przybył w 2017 roku w nietypowym kształcie. Wyglądało jak cygaro lub naleśnik. Wykonał salto w przestrzeni. Być może składał się z lodu azotowego. Naukowcy od lat debatują nad jego pochodzeniem
Dlaczego orbity nie są idealnymi okręgami
Spójrz na nocne niebo i może się wydawać, że wszystko kręci się wokół Słońca w schludnych, uporządkowanych pętlach. W rzeczywistości nie jest to prawdą. Planety, planety karłowate, asteroidy, a nawet lodowi wędrowcy z Pasa Kuipera poruszają się po elipsach. Poruszają się w tym samym kierunku, w którym obraca się Słońce. Astronomowie nazywają to ruchem bezpośrednim lub ruchem do przodu. Gdybyś mógł unieść się nad biegunem północnym Ziemi i spojrzeć w dół, cały Układ Słoneczny wydawałby się wirować w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Jest to taniec jednolity, uporządkowany.
Z wyjątkiem komet z Obłoku Oorta. To są anomalie. Nadchodzą ze wszystkich stron. Ich orbity są losowe, co odzwierciedla rozkład sferyczny otaczający płaską płaszczyznę planet. Nie przejmują się ekliptyką. Po prostu się pojawiają.
Geometria przestrzeni
Jak mierzymy te ścieżki? Ekscentryczność. Jest to liczba mówiąca o ekscentryczności orbity. Zero oznacza idealne koło. Jednostką jest parabola, co zasadniczo oznacza, że obiekt nigdy nie powróci.
Wenus i Neptun mają najbardziej okrągłe orbity ze wszystkich. Ich mimośrody są niewielkie – 0,007 i 0,009. Merkury jest odwrotnie. Jest to planeta najbliższa Słońcu, poruszająca się po bardzo wydłużonej drodze z mimośrodem wynoszącym 0,21. Pluton jest jeszcze dziwniejszy, ma wartość 0,25.
Potem jest skłonność. Jest to kąt orbity względem płaszczyzny orbity Ziemi. Tutaj także wygrywa Merkury, przechylając swoją ścieżkę o 7 stopni. Pluton to bałagan nachylony pod kątem 17,1 stopnia. Większość małych ciał ma duże mimośrody i duże nachylenia. Niektóre komety z obłoku Oorta są nachylone tak mocno, że ich nachylenie przekracza 90 stopni. Obracają się w kierunku wstecznym. Z powrotem. Pod prąd.
Wielki podział: skała kontra gaz
Osiem planet nie stanowi monolitu. Dzielą się na dwa obozy ze względu na gęstość.
Wewnętrzna czwórka – Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – jest ziemska. Są skaliste. Ich gęstość przekracza 3 gramy na centymetr sześcienny. Dla kontekstu woda ma gęstość 1 gram na centymetr sześcienny. To są solidne światy.
Zewnętrzni olbrzymy – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – opowiadają inną historię. Są ogromne. Ich gęstość jest mniejsza niż 2 gramy na centymetr sześcienny. Jowisz i Saturn składają się głównie z wodoru i helu. Uran i Neptun mieszają lód i kamień. To są planety Jowiszowe, czyli gigantyczne.
Pluton siedzi niezręcznie pośrodku. Jest to ciało lodowe o małej gęstości. Jest mniejszy od księżyca Ziemi. Wygląda bardziej jak kometa lub duży lodowy satelita niż planeta. Zaklasyfikowanie go jako obiektu z Pasa Kuipera wyjaśnia jego anomalie. Należy do lodowych szczątków, a nie do planet-olbrzymów.
Tarcze i atmosfery
Małe planety wewnętrzne mają solidną powierzchnię. Nie mają systemów pierścieniowych. Mają niewielu towarzyszy lub nie mają ich wcale. Ich atmosfery są gęste od utlenionych związków, takich jak dwutlenek węgla.
Ziemia jest wśród nich anomalią. Ma silne pole magnetyczne. Pole to działa jak tarcza przed ośrodkiem międzyplanetarnym. Zatrzymuje naładowane elektrycznie cząstki w obszarze zwanym magnetosferą. Wewnątrz tej magnetosfery znajdują się pasy Van Allena. Są to strefy cząstek wysokoenergetycznych.
Dlaczego Ziemia ma tę tarczę, a inne nie? Tekst nie mówi. Ale to ma znaczenie. Bez tej magnetosfery atmosfera prawdopodobnie zostałaby wymazana dawno temu. Planety wewnętrzne są na otwartej przestrzeni. Ziemia nosi zbroję. Planety zewnętrzne opierają się na samej masie, aby utrzymać wodór i hel. Pluton polega na tym, że jest odległy i zimny. Układ Słoneczny to zbiór różnych strategii przetrwania.
Ukryta złożoność zewnętrznego Układu Słonecznego
Zapomnij o wszystkim, co wiesz o twardych powierzchniach. Cztery gazowe olbrzymy – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – są ogromne. Ich atmosfery to gęste warstwy wodoru i helu, rozciągające się głęboko pod ogromnym ciśnieniem. Nie ma powierzchni, na której można stanąć. Tylko warstwy gazu, coraz gęstsze, aż pod ekstremalnym ciśnieniem zamieniają się w egzotyczną ciecz.
Ich gęstość jest tak niska, że Saturn, gdyby znalazł się wystarczająco dużą wannę, mógłby w niej unosić się. Mają także inne wspólne cechy: pola magnetyczne, układy pierścieni i armie księżyców. Kontynuujemy otwieranie nowych. Pluton, niegdyś uważany za dziewiątą planetę, znajduje się na obrzeżach. Ma pięć znanych księżyców i nie ma pierścieni. Ale nie jest sam. Inne obiekty z Pasa Kuipera, a nawet niektóre asteroidy mają własne księżyce.
Te księżyce to nie tylko skały. To są światy. Większość z nich obraca się w tym samym kierunku, w jakim poruszają się ich planety wokół Słońca. Ale ich środowisko? Niezwykle inny.
Io, jeden z księżyców Jowisza, to wulkaniczny koszmar. Jest to najbardziej aktywne wulkanicznie ciało w Układzie Słonecznym. Wypływy lawy stale płyną.
Tytan, satelita Saturna, jest większy od Merkurego. Ma gęstą atmosferę, grubszą od ziemskiej, składającą się z azotu i metanu. Na jego powierzchnię spadają ciekłe węglowodory.
Następnie jest Tryton krążący wokół Neptuna w przeciwnym kierunku. Orbita wsteczna. Porusza się w kierunku przeciwnym do obrotu Neptuna. Oznacza to, że został on schwytany, a nie uformowany na miejscu. Jego powierzchnia ma temperaturę 37 kelwinów. To -393°F. Gejzery azotu wybuchają z lodowej skorupy do cienkiej atmosfery.
Asteroidy i komety
Skąd pochodzą asteroidy?
Asteroidy to skaliste pozostałości powstałe po powstaniu Układu Słonecznego. Występują głównie w pasie asteroid pomiędzy Marsem a Jowiszem. Ale niektóre z nich zbliżają się do Ziemi.
Komety to coś innego. To lodowate, brudne kulki. W miarę zbliżania się do Słońca nagrzewają się. Gaz i pył wybuchły, tworząc świecącą komę i ogon skierowany w stronę Słońca.
Dlaczego to jest ważne? Ponieważ w tych małych ciałach znajdują się wskazówki. Niewiele się zmieniły od czasu, gdy Układ Słoneczny zaczął się formować 4,6 miliarda lat temu. Badanie ich mówi nam o tym, jak powstały planety. Jak woda dostała się na Ziemię. Jak życie mogłoby się rozpocząć.
Jak powstają księżyce?
Większość księżyców wraz ze swoimi planetami powstaje z tego samego wirującego dysku gazu i pyłu. Ale nie wszystkie.
Wsteczna orbita Trytona dowodzi, że nie powstał on wraz z Neptunem. Został porwany przez grawitację planety. Zderzenia mogą również tworzyć księżyce. Ziemski Księżyc prawdopodobnie powstał po uderzeniu ciała wielkości Marsa w naszą młodą planetę. Szczątki połączyły się w Księżyc, który widzimy dzisiaj.
Niektóre księżyce, takie jak Amaltea Jowisza, mają nieregularny kształt. Są małe, o nieregularnym kształcie i krążą daleko od swojej planety. Być może są to przechwycone asteroidy.
Z czego wykonane są systemy pierścieniowe?
Często myślimy o pierścionkach jako o czymś solidnym. Ale to nieprawda. Składają się z miliardów drobnych cząstek. Lód i kamień. Każda cząstka obraca się niezależnie.
Najbardziej widoczne są pierścienie Saturna. Składają się głównie z lodu wodnego. Niektóre zbudowane są z pyłu, inne z większych fragmentów. Pierścienie są cienkie – czasami mają tylko 10 metrów grubości – ale szerokie. Rozciągają się na setki tysięcy kilometrów.
Jowisz, Uran,
Asteroidy i komety są pozostałością. Są pozostałością po chaotycznej erze, kiedy planety powstały w wewnętrznym i zewnętrznym Układzie Słonecznym. Pas asteroid to cmentarzysko ciał skalistych.
Ich rozmiary są bardzo zróżnicowane.
Na szczycie listy znajduje się Ceres. Jest ogromny, ma średnicę około 940 km (585 mil). Międzynarodowe Stowarzyszenie Astronomiczne (IAU) klasyfikuje ją obecnie jako planetę karłowatą, ale jej cechy fizyczne odpowiadają dużej asteroidzie. Pod nią? Wszystko aż do mikroskopijnego pyłu. Pas jest wypełniony cząsteczkami dryfującymi w przestrzeni.
Niektóre z tych skał przecinają orbitę Ziemi.
Ta bliskość stwarza ryzyko. Poważne kolizje są rzadkie, ale katastrofalne. Obiekty większe niż 1 km (0,6 mil) niosą ze sobą energię wystarczającą do zniszczenia planety. Efekt widzieliśmy 65 milionów lat temu. Uderzenie asteroidy spowodowało masowe wymieranie, które unicestwiło dinozaury.
Mniejsze obiekty są uderzane znacznie częściej.
Spalają się w atmosferze lub opadają na powierzchnię w postaci meteorytów. W większości przypadków powodują niewielką szkodę. Ale te, które dotrą na powierzchnię, dają nam wskazówki.
Z czego zbudowane są asteroidy?
Badaliśmy je z Ziemi. Wysłaliśmy statek kosmiczny, żeby przeleciał obok nich. Dane są spójne.
Asteroidy nie są jednorodne.
- Niektóre są metalowe. Składają się głównie z żelaza.
- Inne są z kamienia.
- Trzecia grupa jest bogata w związki organiczne.
Te bogate w węgiel ciała przypominają węglowe meteoryty chondrytowe. Zawierają elementy budulcowe życia.
Wizyty statków kosmicznych ujawniają więcej.
Powierzchnie o nieregularnym kształcie. Są pokryte kraterami. Wskazuje to na burzliwą historię. Bombardowano je przez miliardy lat.
Dlaczego są teraz ważne
Te ciała to kapsuły czasu.
Zachowali prymitywny materiał z wczesnego Układu Słonecznego. Niewiele się zmieniły od czasu powstania planet. Badanie ich mówi nam o tym, jak powstała Ziemia i jej sąsiedzi.
Ale jest też niebezpieczeństwo.
Te same obiekty, które zachowują starożytną historię, mogą wymazać współczesną cywilizację. Tropimy je nie tylko ze względu na naukę, ale także na przetrwanie. Asteroidy najbliżej Ziemi stale o tym przypominają. Proces powstawania planet nie tylko się zatrzymał. Pozostawił po sobie narzędzia, które potrafią tworzyć światy. Lub je zniszcz.
Granica między wartością naukową a zagrożeniem egzystencjalnym jest cienka. Jest mierzona w kilometrach i prędkości uderzenia. Uważnie je monitorujemy. Zawsze patrzyliśmy.
Większość ludzi myśli o asteroidach jako o skałach skalnych, a o kometach jako o lodowych kulach śnieżnych. To rozróżnienie wytrzymuje bliższą analizę. Jądra komet zasadniczo różnią się od swoich skalistych odpowiedników. W ich składzie dominuje lód wodny. Lód zawiera także zamrożony dwutlenek węgla, tlenek węgla i metanol. To nie są czyste kule lodowe. Są przesiąknięte pyłem górskim i bogatą gamą związków organicznych. Niektóre ziarna są bardzo małe. Niektóre komety mogą zawierać więcej brudu niż lodu. Ta mieszanka robi różnicę. Mówi nam o tym, jak wczesny Układ Słoneczny gromadził materię.
Komety długookresowe i Obłok Oorta
Komety są podzielone na kategorie w zależności od ich okresu obiegu. Jest to czas potrzebny im na dokończenie rewolucji wokół Słońca. Komety o długich okresach dokonują jednego obrotu w ciągu ponad 200 lat. Proces ten trwa często miliony lat. Ci wędrowcy pochodzą z Obłoku Oorta. Jest to kulista powłoka otaczająca Układ Słoneczny. Jądra mają tam nieregularny kształt. Ich średnica wynosi zaledwie kilka kilometrów.
Większość życia spędzają głęboko zamrożone. Znajdują się w ogromnych odległościach od Słońca. Mówimy o odległości stanowiącej jedną piątą odległości do najbliższej gwiazdy. Nie możemy ich zobaczyć z Ziemi. Ich obecność określa się na podstawie obserwacji ich orbit. Orbity te są bardzo wydłużone. Ekscentryczność jest bliska jedności. Kiedy w końcu zbliżą się do Słońca, okrążają je i odlatują z powrotem.
Ich trajektorie mogą być nachylone w dowolnym kierunku. Ten zbieg okoliczności potwierdza, że Obłok Oorta jest kulisty. Jest to ogromny zbiornik pierwotnego materiału. Nie wylądowaliśmy na tych obiektach. Nie dotykaliśmy ich. Widzimy je tylko wtedy, gdy zakłócenia grawitacyjne powodują ich przedostanie się do Układu Słonecznego.
Komety krótkookresowe i Pas Kuipera
Komety z krótkimi okresami powracają szybciej. Okrążają Słońce w czasie krótszym niż 200 lat. Wielu powraca co kilka dekad. Ich źródło jest inne. To jest Pas Kuipera. Region ten leży poza orbitą Neptuna. Jest znacznie bliżej niż Obłok Oorta. Znajduje się w płaszczyźnie Układu Słonecznego.
Komety z tego pasa rządzą się innymi prawami. Poruszają się po bardziej kołowych orbitach. Mają bezpośredni kierunek ruchu, to znaczy obracają się w tym samym kierunku co planety. Ich okresy często trwają 20 lat lub mniej. Pas Kuipera został sfotografowany. Duże teleskopy wykonały zdjęcia jej jąder. Obiekty te są bardziej dostępne niż obiekty w Obłoku Oorta. Jednakże pozostają one odległe.
Różnica między tymi dwiema populacjami jest wyraźna. Komety długookresowe nadlatują ze wszystkich kierunków. Komety krótkookresowe pozostają blisko płaszczyzny ekliptyki. Podział ten wskazuje na różne pochodzenie. Albo przynajmniej do różnych miejsc przechowywania. Pas Kuipera coraz bliżej. Możemy go zobaczyć. Obłok Oorta jest teoretyczny i opiera się na mechanice orbitalnej. Jest zbyt daleko, aby można było go bezpośrednio obserwować.
Dlaczego to ma znaczenie? Skład tych jąder zawiera wskazówki dotyczące powstawania planet. Materia organiczna w kometach mogła zasiać wczesną Ziemię. Woda mogła pochodzić z tych lodowych ciał. Zrozumienie, skąd pochodzą, pomaga nam zrozumieć, skąd pochodzimy. Wciąż tworzymy mapę zewnętrznego układu słonecznego. Pas Kuipera jest widoczny. Chmura Oorta pozostaje ukryta. Czekamy na kolejnego gościa, który wyłoni się z ciemności.
Pozostałości śladów komet i wiatru słonecznego
Komety nie tylko unoszą się w ciemności. Kiedy przelatują najbliżej Słońca, zostaje uderzony potężnym szokiem cieplnym. To nie jest delikatne rozgrzewanie. Jądra wydzielają gazy i pył. Materiał ten rośnie w postaci mglistych kępek i rozciąga się w długie, cienkie ogony. Gaz rozprasza się w próżnię. Jednakże ziarna pyłu pozostają na swoim miejscu. Krzemiany i związki organiczne krążą wokół Słońca po trajektoriach niemal identycznych z trajektoriami komety macierzystej.
W ten sposób powstaje ślad. Wstęga śmieci.
Kiedy orbita Ziemi przecina jeden z tych pasów pyłu, widzimy rój meteorów. Nocni obserwatorzy mogą zobaczyć dziesiątki lub setki spadających gwiazd na godzinę. Ziarna pyłu spalają się w górnych warstwach atmosfery. To spektakl. Ale to nie jest przypadkowe. Chociaż każdej nocy od czasu do czasu widzimy meteoryty, ich liczba dramatycznie wzrasta podczas takich wydarzeń. Nawet w normalny dzień ziemska atmosfera jest bombardowana ponad 80 tonami pyłu. Większość tego pyłu to pozostałości asteroid lub komet. Nieustannie unosimy się wśród pozostałości naszego Układu Słonecznego.
Środowisko międzyplanetarne
Przestrzeń nie jest pusta. Jest wypełniony czymś więcej niż tylko gruzami.
Przestrzeń pomiędzy planetami zawiera protony, elektrony i jony. Są to pierwiastki wypływające na zewnątrz ze Słońca. Tworzą wiatr słoneczny. Od czasu do czasu na powierzchni Słońca pojawiają się potężne rozbłyski słoneczne. Te krótkotrwałe erupcje wyrzucają materię i wysokoenergetyczne promieniowanie. Dodaje się to do całej mieszaniny. To jest ośrodek międzyplanetarny.
W 2012 roku granicę przekroczył Voyager 1. Przeszedł z ośrodka międzyplanetarnego do ośrodka międzygwiazdowego. Ta granica nazywa się heliopauzą. Od chwili przelotu Voyager 1 mierzy właściwości przestrzeni międzygwiazdowej. To pierwszy obiekt wykonany przez człowieka, który opuścił nasz „bąbelkowy” region.
Wczesne próby wyjaśnienia naszego pochodzenia
Im więcej danych zdobywamy na temat planet, księżyców, komet i asteroid, tym trudniej jest wyjaśnić, skąd to wszystko się wzięło. Starożytne teorie były niejasne. Nie ograniczały się do faktów.
Podejście naukowe stało się możliwe dopiero po opublikowaniu przez Izaaka Newtona praw ruchu i grawitacji w 1687 r. Stało się to podstawą. Ale nawet wtedy było to trudne dla naukowców. Zastosowanie praw Newtona do pozornych ruchów planet i komet zajęło lata.
W 1734 roku szwedzki filozof Emmanuel Szwecjaborg zaproponował model. Zasugerował, że otoczka materii wokół Słońca rozpadła się. Części te utworzyły planety. Był to wczesny pomysł powstania Układu Słonecznego z pierwotnej mgławicy.
Immanuel Kant rozwinął tę ideę w 1755 roku. Niemiecki filozof oparł się na koncepcji Szwecjaborga. Zapoczątkował łańcuch rozumowania, który miał dominować przez stulecie.
Hipoteza mgławicowa Kanta – Laplace’a
Główna idea Kanta była prosta. Układ Słoneczny powstał jako chmura rozproszonych cząstek. Wzajemne przyciąganie grawitacyjne spowodowało, że poruszały się i zderzały. Trzymały ich razem siły chemiczne.
Większe jednostki rosły szybciej. Przyciągnęli więcej materiału. W końcu utworzyli planety.
Kant nie był fizykiem ani matematykiem. Nie brał pod uwagę ograniczeń własnego podejścia. Jego model nie wyjaśniał, dlaczego planety poruszają się w tym samym kierunku i w tej samej płaszczyźnie. Nie potrafiła także wyjaśnić rotacji satelitów planetarnych. To było niekompletne.
Znaczący krok naprzód wykonano 40 lat później. Pierre-Simon Laplace z Francji był genialnym matematykiem. Specjalizował się w mechanice nieba. Opublikował na ten temat monumentalny traktat. Napisał także popularną książkę o astronomii. W dodatku przedstawił swoje przemyślenia na temat pochodzenia Układu Słonecznego.
Model Laplace’a rozpoczął się od już uformowanego Słońca. Kręciło się. Jej atmosfera rozciągała się poza odległość, na jaką powstałaby najbardziej zewnętrzna planeta. Laplace nie znał źródła energii w gwiazdach. Zakładał, że Słońce ostygnie, gdy wypromieniuje ciepło.
W miarę ochładzania się Słońca ciśnienie gazu spadało. Słońce malało. Weszło w życie prawo zachowania momentu pędu. Zmniejszenie rozmiaru oznaczało zwiększenie prędkości obrotowej. Przyspieszenie odśrodkowe wypchnęło materię atmosferyczną na zewnątrz. Grawitacja przyciągnęła go do środka. Kiedy te siły się zrównoważyły, pozostał pierścień materiału. Znajdował się w płaszczyźnie równika słonecznego.
Proces ten został powtórzony. Utworzyło się kilka koncentrycznych pierścieni. Każdy pierścień sklejał się, tworząc planetę. Księżyce powstały z podobnych pierścieni utworzonych przez tworzące się planety.
Model Laplace’a wyjaśnił, dlaczego planety krążą wokół Słońca w tej samej płaszczyźnie i w tym samym kierunku. Zawierał on kantowski pomysł sklejania się materiału. Obydwa podejścia połączyły się. Stały się hipotezą mgławicy Kanta-Laplace’a.
Było powszechnie akceptowane przez około 100 lat.
Ale Układ Słoneczny ma swoje osobliwości. Pozorna poprawność ruchów została obalona przez odkrycia. Odkryto asteroidy o bardzo wydłużonych orbitach. Odkryto satelity o orbitach wstecznych. Nie mieścił się w schludne pierścienie.
Kolejnym problemem była masa i moment pędu. Słońce stanowi 99,9 procent masy Układu Słonecznego. Planety – głównie cztery gigantyczne zewnętrzne – przenoszą ponad 99 procent momentu pędu. Aby teoria Kanta-Laplace’a była poprawna, albo Słońce musi obracać się szybciej, albo planety muszą poruszać się wokół niego wolniej. Ale to nieprawda. Matematyka się nie zgadza.
Na początku XX wieku naukowcy odrzucili hipotezę mgławicy. Widzieli zbyt wiele wad w starym modelu. Wnieśli swój wkład Amerykanie Thomas Chrouser Chamberlain i Forrest Ray Moulton. Później brytyjscy fizycy James Jeans i Harold Jeffreys dodali własną wersję. Sugerowali katastrofalne pochodzenie. Pomysł był prosty, ale okrutny: Słońce doświadczyło bliskiego spotkania z inną gwiazdą.
Kiedy te dwa ciała przeleciały blisko siebie, grawitacja wyciągnęła materię z ich atmosfer. Materiał ten został wyniesiony. Z biegiem czasu zebrało się w grudki. Te skupiska stały się planetami.
Jednak z tą teorią był poważny problem. Jeśli do powstania planet konieczne było bliskie zderzenie gwiazd, musiałoby to zdarzać się niezwykle rzadko. Gwiazdy są daleko od siebie. Bliskie spotkania są rzadkie. Jeśli teoria byłaby słuszna, w Drodze Mlecznej praktycznie nie powinno być układów słonecznych. Nie odpowiadało to rzeczywistości.
Problem z gazem
Następna wielka zmiana nastąpiła w połowie XX wieku. Naukowcy w końcu zrozumieli, jak powstają gwiazdy. Rozumieli także dynamikę gazu wokół gwiazd. Wniosek był jasny: gorący gaz oddzielony od atmosfery gwiazdowej nie pozostaje na miejscu i nie czeka na kondensację. To się rozprasza. Jest rozprowadzany po całej pustce. Nigdy nie tworzy planet.
Model zderzenia gwiazd był martwy.
Znajomość ośrodka międzygwiazdowego zmieniła wszystko. To gaz i pył unoszący się pomiędzy gwiazdami. Naukowcy zdali sobie sprawę, że te chmury były ogromne. Są gęste. Gwiazdy nie rodzą się w pustce. Tworzą się wewnątrz tych chmur. Dlatego planety muszą powstawać w wyniku tego samego procesu. Nie było to odosobnione wydarzenie. To była część narodzin gwiazdy.
Naukowcy wrócili do podstaw. Przyjrzeli się starym pomysłom Immanuela Kanta i Pierre-Simona Laplace’a. Nowe dane potwierdziły niektóre ze starszych, bardziej miękkich koncepcji.
Obecny konsensus
Dzisiaj postrzegamy pochodzenie Układu Słonecznego jako standardowe formowanie się gwiazd. Pole znacznie się zawęziło. Mamy więcej danych obserwacyjnych niż kiedykolwiek wcześniej. Badamy obszary gwiazdotwórcze w gigantycznych obłokach międzygwiazdowych. Analizujemy chemiczne odciski palców pozostawione w istniejących obiektach Układu Słonecznego. Wiarygodne modele zostały zredukowane do kilku wiarygodnych kandydatów.
Alistair G. W. Cameron, kanadyjsko-amerykański astrofizyk, odegrał kluczową rolę w tym współczesnym poglądzie. Jego praca pomogła przenieść punkt ciężkości z katastrofalnych wypadków na zjawiska stopniowe, nieodłączne.
Powstawanie mgławicy słonecznej
Standardowa historia powstania naszego Układu Słonecznego jest znacznie bardziej dynamiczna, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Wszystko zaczyna się od masywnej chmury gazu i pyłu, która jest prawie dziesięć do dwudziestu razy mniej masywna niż nasze dzisiejsze Słońce. To wszystko. Mały obszar ośrodka międzygwiazdowego.
Co powoduje upadek? To mógł być wypadek. Losowe wahania gęstości wewnątrz chmury. Jeden skrzep staje się wystarczająco ciężki, aby przyciągnąć sąsiadów. Lub siły zewnętrzne wymuszają rozpoczęcie procesu. Fala uderzeniowa z pobliskiej supernowej. Fizyki nie interesuje, który spust zadziałał, ważny jest tylko wynik.
Grawitacja przejmuje kontrolę. Chmura kurczy się do wewnątrz. Nie utrzymuje się długo. Ponieważ cały układ krąży wokół centrum Drogi Mlecznej, zewnętrzne krawędzie poruszają się wolniej niż wewnętrzne. Siły ścinające zaczynają działać. Chmura zaczyna się wirować. A gdy maleje, rotacja ta przyspiesza. Zachowanie momentu pędu jest ścisłą zasadą. Im mniejszy rozmiar, tym szybszy obrót.
Ten obrót zmienia kształt. Grawitacja przyciąga do środka. Siła odśrodkowa wypycha na zewnątrz. Ale nie walczą jednakowo we wszystkich kierunkach. Grawitacja łatwo wygrywa w kierunku prostopadłym do osi obrotu. Substancja opada do wewnątrz, w stronę środka. Jednakże wzdłuż płaszczyzny obrotu siła odśrodkowa aktywnie stawia opór. Zapobiega zawaleniu się.
Chmura się spłaszcza. Zamienia się w dysk. Obracający się naleśnik z materii. Wszystko jest skondensowane w środku. Tworzy się gęsta kondensacja. Jest to zgodne z podstawową strukturą modelu mgławicy Laplace’a, ale z nowoczesnymi rygorami astrofizycznymi. Już nie tylko zgadujemy. Monitorujemy hydrodynamikę zapadającego się dysku protogwiazdowego.
Dlaczego Układ Słoneczny jest spłaszczonym dyskiem?
Geometria nie podlega tutaj dyskusji. Jeśli chcesz zbudować planetę, potrzebujesz samolotu. Nie można tworzyć planet w chaotycznej sferze, jeśli materia ma moment pędu. Struktura dysku określa, gdzie powstają planety. Określa kąt ich orbit. Większość dużych planet obraca się prawie w tej samej płaszczyźnie właśnie z powodu tego początkowego spłaszczenia.
Centralna kondensacja staje się Słońcem. Ale dysk pozostaje. To jest mgławica słoneczna. Materia na dysku to miejsce, w którym rozgrywa się reszta historii. Ziarna pyłu zderzają się. Trzymają się razem. Rosną. Ale to wymaga czasu. I stabilne środowisko. Dysk to zapewnia.
Rola momentu pędu w powstawaniu planet
Moment pędu to niewidzialna ręka. Bez tego dostaniesz gwiazdkę i nic więcej. A może gwiazda otoczona kulistą powłoką, która nigdy się nie uspokaja. Spłaszczenie jest konieczne do akrecji. Pozwala skutecznie połączyć substancję w jedną całość.
Rozważmy barierę odśrodkową. Zapobiega przedostawaniu się substancji bezpośrednio do środka. Zamiast tego materia obraca się po orbicie. Pozostaje na dysku. Ta wirująca materia jest surowym paliwem dla planet. Księżyc. Asteroidy. Cała architektura Układu Słonecznego zależy od tego początkowego obrotu.
Początkowa masa była niewielka. Dziesięć do dwudziestu procent masy Słońca. Ale grawitacja wzmacnia efekt. Bierze małe nasionko i zamienia je w gwiazdę. A przy okazji przygotowuje grunt pod wszystko inne. Dysk to nie tylko śmieci. To jest podstawa.
„Rezultatem na tym etapie, podobnie jak w modelu Laplace’a, jest dysk materii utworzony wokół centralnej kondensacji.”
My
Jak mgławica słoneczna zbudowała planety
Mgławica słoneczna nie była tylko przypadkową chmurą. Był to spłaszczony dysk, odzwierciedlający kształt galaktyk spiralnych, ale w miniaturowej, ludzkiej skali, o kosmicznych proporcjach. Gdy gaz i pył ściskały się w kierunku środka, energia potencjalna została zamieniona na energię kinetyczną. Temperatura gwałtownie wzrosła. W końcu centralna plama stała się wystarczająco gorąca, aby wywołać syntezę jądrową. Narodziło się Słońce.
Tymczasem reszta materiału na tej płycie nie pozostała nieruchoma. Spotkał. Zablokowany. Rast.
Większość tych ziaren miała niemal identyczne orbity. Uderzenia były łagodne. Nie te, które kruszą kamienie, ale te, które pozwalają im wiązać. Małe grudki stały się większe. Proces ten, przypominający wczesne teorie Immanuela Kanta, stopniowo formował z chaosu większe obiekty.
Linia śniegu i separacja planet
To stąd narodziła się architektura Układu Słonecznego. Temperatura spadała wraz z odległością od gorącego ciała centralnego. Ten gradient stworzył wyraźną granicę – nie na piasku, ale raczej na lodzie.
W pobliżu Słońca było zbyt ciepło, aby woda mogła zamarznąć. Jednak w odległości około 5 jednostek astronomicznych (AU) – tam, gdzie znajduje się obecnie Jowisz i dalej – woda może skroplić się w lód. To nie była drobnostka. Woda jest drugą najpowszechniej występującą cząsteczką we Wszechświecie, zaraz po cząsteczkowym wodorze. Tam, gdzie woda mogła zamarznąć, było mnóstwo materiału stałego.
Obiekty tworzące się w tej zimnej strefie miały duży wybór ciał stałych, na których mogły rosnąć. Szybko przybierały na wadze. Gdy akreujące ciało osiągnęło około dziesięciu mas Ziemi, jego grawitacja stała się wystarczająco silna, aby wychwycić wodór i hel. Są to najlżejsze i najobficiej występujące pierwiastki w przyrodzie. Planety w strefie zewnętrznej nie wyrosły po prostu ze skał; tworzyły atmosferę. Stali się gigantami.
Wewnątrz orbity Jowisza historia była inna. Planety wewnętrzne powstały w temperaturach tak wysokich, że nie można było w nich zatrzymać substancji lotnych. Woda, dwutlenek węgla i amoniak pozostały w postaci gazowej. Zniknęły. Planety wewnętrzne pozostały małe. Skalisty. Gęsty.
Astronomowie nazywają granicę, na której lód wodny może tworzyć się „linią śniegu”. Ma temperaturę około 150 kelwinów (-190 ° F). Wewnątrz tej linii? Krzemiany. Ziarna metalu. Kamienie. Poza? Lód. Gradient gęstości jest nadal widoczny dzisiaj. Ziemski księżyc, zbudowany z minerałów krzemianowych, ma gęstość 3,3 grama na centymetr sześcienny. Tetyda, księżyc Saturna? Składa się głównie z lodu wodnego. Jego gęstość wynosi około 1 gram na centymetr sześcienny.
Pęknięcia w modelu tradycyjnym
Brzmi logicznie. To pasuje do danych. Dlaczego więc model ten od początku lat 90. stoi przed poważnymi wyzwaniami?
Prostą narrację podważają dwa główne problemy.
Po pierwsze, odkrycie egzoplanet. Odkryliśmy inne układy słoneczne z gigantycznymi planetami krążącymi bardzo blisko swoich gwiazd. Gorące Jowisze. Nie powinny one istnieć, jeśli model mgławicy słonecznej ściśle uwzględnia gradienty temperatury. Jeśli powstały tam, gdzie było zimno, a następnie migrowały do wewnątrz, dodaje to warstwę złożoności, której brakuje prostemu obrazowi Kanta-Laplace’a.
Po drugie, misja statku kosmicznego Galileo do Jowisza. Dane pokazały coś nieoczekiwanego. Atmosfera Jowisza jest wzbogacona argonem i azotem cząsteczkowym. Gazy te wymagają temperatury 30 kelwinów (-400 °F) lub niższej, aby skroplić się i zostać uwięzionym w ciałach lodowych. Jest znacznie zimniej niż w przypadku tradycyjnej linii śniegu. Sugeruje to, że jądro Jowisza powstało znacznie dalej, niż sądziliśmy, lub że wczesna mgławica słoneczna była znacznie chłodniejsza, niż przewidywały modele.
Późniejsze poprawki do teorii sugerowały, że temperatura w pobliżu centralnej płaszczyzny mgławicy może wynosić około 25 kelwinów. Zimniej, niż przewidywaliśmy. Ale zagadka nie została całkowicie rozwiązana.
Szybkość formowania
Pomimo tych problemów podstawy modelu mgławicy słonecznej wymagają dokładnej analizy. Obserwacje w podczerwieni i radiu młodych gwiazd potwierdzają obecność dysków materii. I potwierdzają prędkość.
Powstawanie planet nie jest procesem mierzalnym. To marność.
Obłok międzygwiazdowy zapada się w dysk w ciągu około miliona lat. Ale cząstki stałe nie czekają. Osiedlają się na płaszczyźnie środkowej. Szybko.
W przypadku cząstki o wielkości 1 mikrona sedymentacja trwa 100 000 lat. Do kamyków o średnicy 1 centymetra? Tylko 10 lat.
W miarę jak środkowa płaszczyzna staje się gęstsza, kolizje występują częściej. Wzrost przyspiesza. Pola grawitacyjne się wzmacniają. Matematyka jest okrutna, ale skuteczna. Obiekty o średnicy 10 kilometrów – planetozymale, elementy budulcowe światów – powstają w ciągu zaledwie 1000 lat.
Pozostaje nam Wszechświat, który na chwilę mruży oczy, tworząc światy, nawet jeśli wciąż nie wiemy dokładnie, jak poszczególne elementy do siebie pasują. Dysk jest skompresowany. Temperatura rośnie. Formy lodowe. I gdzieś w tym chaosie planeta zaczyna się gromadzić w sobie.
Chaos późnego etapu formowania się planet
Akrecja nie zatrzymuje się, gdy planeta osiąga swój ostateczny rozmiar. To trwa. I robi się coraz bardziej burzliwie. Energia uwalniana w wyniku tych późnych uderzeń wystarcza do odparowania skał i stopienia całych skorup. Oryginalny, skondensowany materiał, od którego wszystko się zaczęło, jest całkowicie wymieszany.
Modele teoretyczne sugerują, że wraz z planetami, które widzimy dzisiaj, powstało kilka ciał księżycowych i marsjańskich – embrionów planet. Kiedy te olbrzymy zderzyły się z rosnącymi planetami, skutki były chaotyczne. Prawdopodobnie dlatego Merkury ma tak nienormalnie dużą gęstość. Albo dlaczego Wenus tak wolno obraca się do tyłu. Ziemia również tego nie uniknęła. Embrion wielkości Marsa uderzył w naszą planetę, wyrzucając szczątki, które ostatecznie zbiły się w Księżyc. Mniejsze uderzenia na Marsie rozrzedziły jego atmosferę do stanu, który widzimy dzisiaj.
Czas nie pomagał zbytnio w chłodzeniu. Izotopy krótkotrwałych pierwiastków promieniotwórczych w próbkach gleby księżycowej i meteorytach mówią nam, że planety wewnętrzne i Księżyc zakończyły proces formowania się w ciągu 50 milionów lat od zapadnięcia się mgławicy słonecznej. Ale sprzątanie trwało dłużej. Intensywne bombardowanie pozostałych szczątków trwało przez kolejne 600 milionów lat. Te późniejsze zderzenia dodały bardzo mało masy. Uszkodziły tylko powierzchnię.
Jak planety zewnętrzne zdobyły swoje księżyce
Tę samą zasadę akrecji zastosowano także w kierunku zewnętrznym. Ale tutaj składniki były inne. Lodowe planetozymale zbudowały obiekty o masie dziesięciokrotnie większej od masy Ziemi. Masa ta była wystarczająca, aby przyciągnąć otaczający gaz i pył z mgławicy słonecznej. Planety urosły tak duże, że ich skład odzwierciedlał skład Słońca: składały się głównie z wodoru i helu.
Każda gigantyczna planeta stworzyła swój własny minidysk, podmgławicę. Dysk ten napędzał powstawanie regularnych satelitów. Księżyce te mają okrągłe, równikowe orbity, które pokrywają się z kierunkiem obrotu planety. Urodziły się z dysku.
Nieregularne satelity to zupełnie inna historia. Mają wydłużone, nachylone lub wsteczne orbity. Nie urodzili się w podmgławicy. Zostali schwytani. Obiekty te początkowo okrążały Słońce, dopóki nie złapała ich grawitacja planety. Klasycznymi przykładami są Tryton Neptuna i Phoebe Saturna. Każda gigantyczna planeta ma w swoim orszaku co najmniej jednego przechwyconego satelitę.
Księżyce galileuszowe Jowisza wykazują wzór gęstości odzwierciedlający ogólną strukturę Układu Słonecznego. Io i Europa są blisko i wyboiste. Ganimedes i Kallisto są dalej i są w połowie zamarznięte. Dlaczego? Wczesny Jowisz był wystarczająco gorący, aby zapobiec kondensacji lodu w pobliżu orbity Io. Gradient temperatury dyktował skład.
Pozostałości: asteroidy i komety
Gdy większość materii zbiła się w oddzielne obiekty, wiatr słoneczny nasilił się. Wydmuchnął pozostały gaz i kurz z układu. Podobne emisje obserwujemy dzisiaj wokół młodych gwiazd. Większe kawałki pozostały.
Szybki rozwój Jowisza stworzył przepaść między nim a Marsem. Zapobiegł powstaniu tam planety. Ta przerwa to teraz pas asteroid. Żyją tam tysiące obiektów, ale ich całkowita masa stanowi mniej niż jedną trzecią masy Księżyca. Meteoryty na Ziemi pochodzą głównie z tych asteroid. Są to kapsuły czasu oferujące wskazówki na temat warunków panujących we wczesnej mgławicy.
Co więcej, lodowe jądra komet to planetozymale, które powstały na zimno. Większość z nich jest malutka. Chiron, obiekt grupy centaurów, ma szerokość około 200 km. Zachowuje się jak kometa, chociaż wcześniej była klasyfikowana jako asteroida. Pluton i Eris w Pasie Kuipera są znacznie większe.
Większość obiektów z Pasa Kuipera powstała in situ. Obliczenia pokazują jednak, że miliardy lodowych planetozymali zostały wyrzucone przez planety-olbrzymy podczas migracji. Te wyrzucone obiekty stały się obłokiem Oorta.
Dlaczego gazowi giganci noszą pierścienie?
Tworzenie się układów pierścieniowych jest bezpośrednią konsekwencją ewolucji planet. Nie są to starożytne relikty mgławicy słonecznej. Są to odpady tymczasowe, poddane recyklingowi.
Satelita może zbliżyć się zbyt blisko swojej planety. Jeśli przekroczy granicę Roche’a, siły pływowe rozerwą ją na kawałki. Fragmenty nie spadają na powierzchnię. Są one dystrybuowane na dysku. Ten dysk staje się pierścieniem. Alternatywnie kometa lub asteroida może zostać przechwycona i rozbita w wyniku uderzenia. Gruz zostaje rozdrobniony na pył i kamień.
Pierścienie Saturna są masywne. Mogą to być pozostałości zniszczonego satelity. Może to być również materiał, który nigdy nie narósł w satelicie pod wpływem sił pływowych. Uran i Neptun mają cieńsze i ciemniejsze pierścienie. Ich materiał jest prawdopodobnie starszy, ciemniejszy i bardziej przetworzony.
Pierścienie są dynamiczne. Zmieniają się. Promieniowanie i uderzenia mikrometeoroidów zmieniają ich skład. Fale grawitacyjne wewnątrz pierścieni mogą powodować pęknięcia lub zlepki. Satelity mogą „ocierać się” o krawędzie pierścieni, czyniąc je wyraźnymi. Bez tej ciągłej interakcji pierścienie rozproszyłyby się lub utworzyły z powrotem satelity. Są oznaką aktywnej mechaniki planetarnej, a nie statycznej historii.
Układ Słoneczny, który dziś widzimy, jest cmentarzyskiem kolizji. Każda cecha, od gęstości Merkurego po pierścienie Saturna, jest blizną lub pozostałością po tym chaotycznym dzieciństwie.
Pierścionki to coś więcej niż tylko ładna dekoracja. To fizyczny dowód surowych praw grawitacji.
Widzimy je wokół Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Każdy pierścień leży w pewnej granicy zwanej granicą Roche’a. Nazwa ta została nadana na cześć XIX-wiecznego francuskiego matematyka Edouarda Roche. Wyjaśnił, dlaczego substancja pozostaje w postaci pyłu i nie skleja się w satelity.
Wewnątrz tej granicy dwa małe kamienie nie mogą się skleić. Dlaczego? Ponieważ grawitacja planety wpływa na nie w różny sposób. Jedna strona kamienia doświadcza silniejszego przyciągania niż druga. Planeta wygrywa. Kamień jest zniszczony. Nie może się gromadzić. Nie może rosnąć.
Pole grawitacyjne planety działa również jako mikser. Rozprowadza cząsteczki. Minimalizuje przypadkowe kolizje. Brak kolizji oznacza brak wzrostu. Pozostaje tylko płaski dysk gruzu.
Tajemnica pochodzenia pierścieni
To wyjaśnia gdzie znajdują się pierścienie. Ale to nie wyjaśnia, kiedy się pojawili. Lub jak są trzymane w kierunku promieniowym.
Odpowiedź zależy od planety.
W przypadku Jowisza układ jest stabilny. To równowaga pomiędzy narodzinami i śmiercią. Księżyce wewnętrzne stale emitują cząstki. Świeży pył zastępuje stary. To przenośnik gruzu.
Saturn jest bardziej złożony. Naukowcy są podzieleni w opiniach. Jedna grupa uważa, że pierścienie są starożytne. Pozostałości po powstaniu planety. Inna grupa twierdzi, że są młodzi. Mogą mieć zaledwie kilkaset milionów lat. To jest moment w czasie kosmicznym.
W każdym razie źródłem są prawdopodobnie lodowe planetozymale. Te masywne pozostałości zderzyły się. Rozbili się. Powstałe fragmenty to małe cząstki, które widzimy dzisiaj.
Rozwiązanie zagadki momentu pędu
Jest jeszcze inny problem, który intrygował wczesnych astronomów. Tajemnica momentu pędu.
Kant i Laplace próbowali go rozwiązać. Przegrany. Jaki jest problem? Największą masę ma Słońce. Planety mają większość swojego obrotu. Jest odwrotnie. Od masywnego ciała oczekuje się, że będzie posiadać moment pędu.
Współczesna astronomia rozwiązuje ten problem poprzez badanie gwiazd. Naprawdę uważnie je studiuję.
Gwiazdy nieco masywniejsze od naszego Słońca obracają się powoli. Nie tak szybko, jak przewidują modele fizyczne. Mają niedobór. Brak rotacji. Najmniejsze gwiazdy wykazują ten sam problem.
Winowajcą jest wiatr słoneczny.
Słońce ma zewnętrzną atmosferę. Stale rozszerza się w przestrzeń. To nie tylko puste powietrze ucieka. Nosi masę. Niesie moment pędu.
Gwiazdy o dużej masie tego nie robią. Nie mają silnych wiatrów gwiazdowych. Kręcą się dalej. Robi to słońce. Traci masę w przestrzeń. Ta strata spowalnia jego rotację.
Stało się to przez ponad 4,6 miliarda lat. Słońce zwolniło. Planety zachowały rotację odziedziczoną po pierwotnej mgławicy. Słońce oddało swój moment pędu próżni. Planety zachowały swoje. Dlatego okrążamy powoli rotującą gwiazdę.
Znalezienie egzoplanet nie polega tylko na znalezieniu sąsiadów. Jest to próba przezwyciężenia izolacji naszego własnego Układu Słonecznego. Przez dziesięciolecia astronomowie działali pod poważnymi ograniczeniami. Mieli tylko jeden punkt danych. Ziemia.
Jak właściwie powstaje układ planetarny? Mogliśmy się tylko domyślać, patrząc na własne „podwórko”. Znalezienie planet krążących wokół innych gwiazd zmienia wszystko. Eliminuje to stronniczość związaną z pojedynczym przykładem. To zmienia spekulację w naukę.
Ale wykrycie tych światów jest trudne. Te obiekty są malutkie. Są przyćmione. I ukrywają się w olśniewającym blasku swoich gwiazd macierzystych. Bezpośrednie strzelanie z teleskopów naziemnych? Prawie niemożliwe. Blask po prostu je „oświetla”.
Astronomowie wykazali się więc kreatywnością. Zaczęli szukać zaczepki.
Niewidzialne pociągnięcie
Planety nie tylko wiszą w przestrzeni. Ciągną.
Masywna planeta przyciąga swoją gwiazdę. Powoduje to lekkie wahanie grawitacyjne, gdy gwiazda porusza się w przestrzeni. Astronomowie śledzą te subtelne zmiany. Zaobserwowali także okresowe zmiany w promieniowaniu gwiazdy. Planeta przyciąga gwiazdę albo do nas, albo od nas. To przesunięcie zmienia światło, które widzimy.
Był jeszcze jeden trik. Tranzyty.
Kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą, blokuje niewielką część światła. Gwiazda gaśnie. Tylko na chwilę. Pomiar tego spadku jasności stał się podstawową metodą wykrywania.
Przez wiele lat te pośrednie metody były jedyną drogą wejścia. Obrazowanie bezpośrednie pozostało „świętym Graalem”.
Pierwsze wykrycia
Początek lat 90. przyniósł pierwsze prawdziwe dowody. Astronomowie odkryli trzy ciała krążące wokół PSR B1257+12.
To nie była gwiazda taka jak Słońce. To był pulsar. Szybko obracająca się gwiazda neutronowa. Martwy, gęsty i wirujący z dużą prędkością. Odkrycie tam planet było szokiem. Wskazywało to, że powstawanie planet może nastąpić nawet w trudnych następstwach supernowej.
Wtedy nastąpił punkt zwrotny. 1995
Ogłoszono istnienie masywnej planety wokół 51 Pegasi. To było inne. Była to gwiazda podobna do Słońca. Gwiazda ciągu głównego. Właściwy analog słońca.
Odkrycie potwierdziło, że poza naszym układem istnieją planety-olbrzymy. Pod koniec 1996 roku lista rosła. Ale zdjęcia bezpośrednie? Wszystko nadal było poza zasięgiem.
Dopiero w 2005 roku astronomowie wykonali pierwsze bezpośrednie zdjęcie czegoś, co okazało się egzoplanetą. Dekady poszukiwań. Dekady pośrednich wniosków. Na koniec wizualne potwierdzenie.
Gorące Jowisze i złamane zasady
Obecnie znanych jest setki układów planetarnych. Dane przychodzą strumieniem. A te dane są dziwne.
Wiele z tych układów zawiera planety-olbrzymy. Jowisze. Ale nie ma ich tam, gdzie spodziewaliśmy się je zobaczyć. Krążą bliżej swoich gwiazd niż Merkury względem naszego Słońca.
To jest problem.
Standardowa teoria formowania mówi, że planety-olbrzymy powinny powstawać daleko. Na tyle daleko, że było zimno. Jest wystarczająco zimno, aby lód mógł się skroplić. Lód zapewnia stały materiał potrzebny do stworzenia masywnego jądra. Jeśli jest za gorąco, nie ma lodu. Nie ma planety-olbrzymiej.
Jak zatem powstały te gorące Jowisze?
Jedna teoria: migracja.
Być może uformowały się daleko stąd, gdzie było zimno. Potem się przenieśli. Planeta oddziałuje z dyskiem gazu i pyłu otaczającym gwiazdę. Siły pływowe wciągają planetę do środka. Powoli spiralnie zmierza w stronę gwiazdy. Zatrzymuje się, gdy skończy się materiał na dysku. Gwiazda ją pochłania.
Modele komputerowe potwierdzają tę teorię. Ale czy jest to pełna prawda? Astronomowie pozostają podzieleni.
Dylemat linii śniegu
Nasz własny system zawiera także podpowiedzi.
Sonda Galileo zanurzyła się w atmosferze Jowisza. Zmierzył zawartość argonu i azotu cząsteczkowego. Poziom wzbogacenia był nieprawidłowy. Nie odpowiadała ona wysokim temperaturom oczekiwanym w pobliżu „linii śniegu” w okresie formowania się.
Linia śniegu to granica, na której lotne związki zamarzają, tworząc lód. Uważaliśmy, że ma to kluczowe znaczenie dla powstawania planet-olbrzymów. Bez tego uzyskuje się tylko planety skaliste.
Dane dotyczące Jowisza sugerują coś innego.
Być może linia śniegu nie była tak ważna, jak myśleliśmy. A może chronologia jest nieprawidłowa. Lód mógł uformować się bardzo wcześnie. Kiedy środkowa płaszczyzna mgławicy miała temperaturę poniżej 25 K.
W tej temperaturze linia śniegu byłaby znacznie bliżej Słońca niż obecnie Jowisz. Jednak w tak małych odległościach nie było wystarczającej ilości materii, aby zbudować gigantyczną planetę.
Więc lód utworzył się daleko. Ale warunki były inne. Chłodniej. Wcześniej.
Co dalej
Pierwsza dekada odkrywania egzoplanet była zdominowana przez gigantów. Masy podobne lub większe od masy Jowisza. Łatwo je znaleźć. Większa masa oznacza więcej drgań. Większa masa oznacza głębsze tranzyty.
Mniejsze planety są trudniejsze do znalezienia.
W miarę udoskonalania metod wykrywania astronomowie będą odkrywać mniejsze światy. Planety wielkości Ziemi. Skalisty.
Te małe znaleziska wypełnią luki. Pokażą nam, jak powstają systemy takie jak nasz. Jak ewoluują. Jak często się spotykamy?
Wiggle ujawni więcej. Przyciemnienie jasności ujawni więcej. Połysk w końcu straci swoją moc.
Wciąż uczymy się zasad. A zasady ciągle się zmieniają.
