Attēla kredīts: NASA
Ja svešie astronomi ap tālu zvaigzni būtu izpētījuši jauno Sauli pirms četrarpus miljardiem gadu, vai viņi varēja redzēt pazīmes, ka nesen izveidojusies Zeme riņķo ap šo nekaitīgo dzelteno zvaigzni? Atbilde ir jā, saka Skots Kenjons (Smitsona astrofizikas observatorija) un Bendžamins Bromlijs (Jūtas Universitāte). Turklāt viņu datoru modelī teikts, ka tās pašas zīmes mēs varam izmantot, lai noteiktu vietas, kur šobrīd veidojas Zemes lieluma planētas, - jaunas pasaules, kuras kādu dienu var dzīvot patstāvīgi.
Jaundzimušo Zemes atrašanās vietas noteikšanas atslēga, teiksim Kenjons un Bromlijs, ir meklēt nevis pašu planētu, bet gan putekļu gredzenu, kas riņķo ap zvaigzni, kas ir zemes (akmeņainas) planētas veidošanās pirkstu nospiedums.
"Ja ir kāds putekļu gredzens, iespējams, ir arī planēta," saka Kenjons.
Labās planētas ir grūti atrast
Mūsu Saules sistēma veidojās no virpuļojoša gāzes un putekļu diska, ko sauc par protoplanētisko disku un kurš riņķo ap jauno Sauli. Tie paši materiāli ir atrodami visā mūsu galaktikā, tāpēc fizikas likumi paredz, ka citas zvaigžņu sistēmas veidos planētas līdzīgā veidā.
Lai arī planētas var būt izplatītas, tās ir grūti atklāt, jo tās ir pārāk vājas un atrodas pārāk tuvu daudz spožākai zvaigznei. Tāpēc astronomi meklē planētas, meklējot netiešus pierādījumus par to esamību. Jaunās planētu sistēmās šie pierādījumi var atrasties pašā diskā un par to, kā planēta ietekmē putekļaino disku, no kura tie veidojas.
Lielām, Jupitera izmēra planētām ir spēcīgs gravitācijas spēks. Šis smagums spēcīgi ietekmē putekļaino disku. Atsevišķs Jupiters var notīrīt gredzena formas spraugu diskā, deformēt disku vai radīt koncentrētus putekļu vālītes, kas diskā atstāj tādu zīmējumu kā pamodināšana no laivas. Milzu planētas klātbūtne var izskaidrot pamodināšanas modeli, kas redzams diskā ap 350 miljonus gadu veco zvaigzni Vega.
Turpretī mazām, Zemes lieluma pasaulēm ir vājāka gravitācija. Viņi vājāk ietekmē disku, atstājot smalkākas viņu klātbūtnes pazīmes. Kenjons un Bromlijs tā vietā, lai meklētu šķērus vai pamodumus, iesaka meklēt, lai redzētu, cik spoža zvaigžņu sistēma ir pie infrasarkanā (IR) gaismas viļņa garuma. (Infrasarkanā gaisma, kuru mēs uztveram kā siltumu, ir gaisma ar garāku viļņu garumu un mazāk enerģijas nekā redzamā gaisma.)
Zvaigznes ar putekļainiem diskiem IR ir spožākas nekā zvaigznes bez diskiem. Jo vairāk putekļu satur zvaigžņu sistēma, jo spilgtāk tas atrodas IR. Kenjons un Bromlijs ir parādījuši, ka astronomi var izmantot IR spilgtumus ne tikai diska noteikšanai, bet arī pateikt, kad šajā diskā veidojas Zemes izmēra planēta.
"Mēs bijām pirmie, kas aprēķināja paredzamo putekļu rašanās līmeni un ar tiem saistīto infrasarkano starojumu, un pirmie, kas parādīja, ka zemes planētas veidošanās rada ievērojamu daudzumu putekļu," saka Bromlijs.
Planētu veidošana no zemes uz augšu
Visizplatītākā teorija par planētu veidošanos prasa veidot planētas “no zemes uz augšu”. Saskaņā ar koagulācijas teoriju, nelieli akmeņaina materiāla gabali protoplanetārā diskā saduras un pielīp. Tūkstoš gadu laikā mazie sakrājumi pāraug lielākos un lielākos grumbos, piemēram, veidojot sniegavīru pa vienai saujai sniega vienlaikus. Galu galā akmeņainie pikas veido tik lielus, ka kļūst par pilntiesīgām planētām.
Kenjons un Bromlijs modelē planētas veidošanās procesu, izmantojot sarežģītu datorprogrammu. Viņi “sēklas” protoplanētisko disku ar miljarda plaknes izmēra 0,6 jūdžu (1 kilometra) lielumu, visi riņķo ap centrālo zvaigzni, un savlaicīgi virzās uz priekšu sistēmu, lai redzētu, kā planētas attīstās no šīm pamata sastāvdaļām.
"Mēs padarījām simulāciju cik reālistisku, cik spējām, un joprojām veiktu aprēķinus saprātīgā laika posmā," saka Bromlijs.
Viņi uzskatīja, ka planētas veidošanās process ir ārkārtīgi efektīvs. Sākotnēji plaknes simbolu sadursmes notiek ar nelielu ātrumu, tāpēc sadursmes objektiem ir tendence saplūst un izaugt. Tipiskā Zemes un Saules attālumā ir nepieciešami tikai apmēram 1000 gadi, līdz 1 kilometra objekti kļūst par 100 kilometru (60 jūdžu) objektiem. Vēl 10 000 gadu laikā tiek ražotas 600 jūdžu diametra protoplanetes, kuras papildu 10 000 gadu laikā izaug par 1200 jūdžu diametra protoplanetām. Tādējādi Mēness lieluma objekti var veidoties tikai 20 000 gadu laikā.
Kad diska plaknes simboli kļūst lielāki un masīvāki, to smagums palielinās. Kad daži no objektiem sasniedz 600 jūdžu lielumu, viņi sāk “maisīt” atlikušos mazākos objektus. Gravitācijas slingshotors samazina mazākus asteroīda lieluma klinšu gabalus uz lielāku un lielāku ātrumu. Viņi pārvietojas tik ātri, ka, sadursoties, tie nesaplūst - viņi savelk pulveri, vardarbīgi sagraujot viens otru. Kamēr lielākās protoplanētas turpina augt, pārējie akmeņainie planētas simboli viens otru sasmalcina putekļos.
"Putekļi veidojas tur, kur veidojas planēta, tajā pašā attālumā no zvaigznes," saka Kenjons. Rezultātā putekļu temperatūra norāda, kur veidojas planēta. Putekļi Venērai līdzīgā orbītā būs karstāki nekā putekļi Zemei līdzīgā orbītā, dodot norādi zīdaiņa planētas attālumam no tās zvaigznes.
Diska lielāko objektu izmērs nosaka putekļu rašanās ātrumu. Putekļu maksimālais daudzums, kad ir izveidojušās 600 jūdžu protoplanetes.
“Spicera kosmiskajam teleskopam jāspēj noteikt šādas putekļu virsotnes,” saka Bromlijs.
Pašlaik Kenjona un Bromlija zemes planētas veidošanās modelis aptver tikai nelielu daļu no Saules sistēmas, sākot no Venēras orbītas līdz apmēram pusei ceļa starp Zemi un Marsu. Nākotnē viņi plāno paplašināt modeli, lai aptvertu orbītas tik tuvu Saulei kā Merkurs un tik tālu kā Marss.
Viņi ir arī modelējuši Kuipera jostas veidošanos - mazu, apledojušu un akmeņainu objektu reģionu ārpus Neptūna orbītas. Nākamais loģiskais solis ir modelēt tādu gāzes gigantu kā Jupiters un Saturns veidošanos.
“Mēs sākam Saules sistēmas malās un strādājam uz iekšu,” Kenjons ar smaidu saka. “Mēs strādājam arī pie tā, lai palielinātu masu. Zeme ir 1000 reizes masīvāka nekā Kuipera jostas objekts, un Jupiters ir 1000 reizes masīvāks nekā Zeme. ”
"Mūsu galvenais mērķis ir modelēt un izprast visas mūsu Saules sistēmas veidošanos." Kenjons lēš, ka viņu mērķis ir sasniedzams desmit gadu laikā, jo datora ātrums turpina pieaugt, ļaujot simulēt visu Saules sistēmu.
Šis pētījums tika publicēts 2004. gada 20. februāra izdevuma The Astrophysical Journal Letters izdevumā. Papildu informācija un animācijas ir pieejamas tiešsaistē vietnē http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Hārvarda-Smitsona astrofizikas centrs, kura galvenā mītne atrodas Kembridžā, Masačūsetsa, ir Smitsona astrofizikas observatorijas un Hārvarda koledžas observatorijas kopīga sadarbība. CfA zinātnieki, kas ir sadalīti sešās pētniecības nodaļās, pēta Visuma izcelsmi, attīstību un galveno likteni.
Oriģinālais avots: CfA ziņu izlaidums
