Κοσμική προέλευση:το θαυματουργό ταξίδι από τα σύννεφα σκόνης στη ζωή

Πώς κατέληξε η Γη να γεμίσει με σίδηρο, οξυγόνο και όλα τα άλλα συστατικά για τη ζωή; Όλα ξεκίνησαν όταν ένα σύννεφο σκόνης συγκέντρωσε αρκετή μάζα για να καταρρεύσει υπό τη βαρύτητα, όπως είχε προβλέψει ο αστρονόμος James Jeans.

Σε αυτό το απόσπασμα από το Rebel Star:Our Quest to Solve the Great Mysteries of the Sun (£16,99, Michael O'Mara Books), ο Colin Stuart εξηγεί την αξιοσημείωτη διαδικασία που μετέτρεψε τα σύννεφα αερίου και σκόνης στο Ηλιακό Σύστημα όπως το γνωρίζουμε.

Πώς φτάσαμε εδώ

Σήμερα, υπάρχει ευρεία συμφωνία μεταξύ των αστρονόμων σχετικά με τα βασικά βήματα που σχημάτισαν τον Ήλιο. Πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, υπήρχε ένα σύννεφο αερίου και σκόνης στο διάστημα με διάμετρο περίπου 65 έτη φωτός (620 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα). Άρχισε να συστέλλεται μέχρι που έφτασε στο κρίσιμο σημείο στο οποίο ο James Jeans μας είπε ότι η μη αναστρέψιμη κατάρρευση ήταν αναπόφευκτη.

Καθώς συνέχιζε να συρρικνώνεται και να περιστρέφεται πιο γρήγορα, το σύννεφο κατακερματίστηκε σε πολλά μέρη. Ένα από αυτά τα θραύσματα είχε διάμετρο περίπου 3 έτη φωτός και θα γινόταν ο Ήλιος και η οικογένεια των περιφερόμενων κόσμων του. Περιείχε μέσα του όλα τα συστατικά του σύγχρονου Ηλιακού Συστήματος.

Δεν ήταν όλα στη σημερινή τους μορφή, αλλά τα ατομικά δομικά στοιχεία υπήρχαν για τους δακτυλίους του Κρόνου και τα φεγγάρια του Άρη. για κάθε γραμμή μελανιού σε κάθε βιβλίο που γράφτηκε ποτέ και κάθε σταγόνα αίματος που χύθηκε σε κάθε μάχη. για κάθε μέλισσα που βουίζει, λουλούδι που μεγαλώνει και πουλί που τραγουδάει. Η μπογιά του Πικάσο και τα πούρα του Τσόρτσιλ. τα μαλλιά σας, τα μάτια σας, τα δόντια σας.

Διαβάστε περισσότερα για τον Ήλιο:

• Μια ηλιακή εξερεύνηση:η μοναδική σχέση των ανθρώπων με τον Ήλιο
• Πώς το Parker Solar Probe θα «αγγίξει τον Ήλιο»

Χρειάστηκαν περίπου 100.000 χρόνια - ένας αστρονομικός καρδιακός παλμός - για να καταρρεύσει πλήρως το σύννεφο. Σε αυτό το διάστημα έγινε 2.000 φορές μικρότερο. Τα μόρια αερίου συντρίβονταν μεταξύ τους με αυξανόμενη κανονικότητα, αυξάνοντας τη θερμοκρασία και την πίεση εξίσου.

Μια πυκνή, καυτή σφαίρα που ονομάζεται πρωτόηλιος αναδύθηκε στην καρδιά του σύννεφου. Όπως ένα ανθρώπινο έμβρυο, δεν είχε ακόμη σχηματιστεί πλήρως. Το να γίνει πιο συμπαγές αύξησε την ταχύτητα περιστροφής του για να διατηρήσει τη γωνιακή ορμή. Υλικό που έπεφτε προς τον πρωτοάστρο βρέθηκε να πετάει προς τα έξω σε τροχιά γύρω του, σχηματίζοντας έναν πρωτοπλανητικό δίσκο που εκτεινόταν σε 1.000 φορές τη σύγχρονη απόσταση Γης-Ήλιου.

Θα χρειαζόταν άλλα 50 εκατομμύρια χρόνια για να ωριμάσει ο νεαρός πρωτοήλιος στο αστέρι που φωτίζει το ηλιακό σύστημα σήμερα. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης του άγριου παιδιού - ίσως παρόμοια με τα εφηβικά χρόνια ενός ανθρώπου - έγινε αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν αστέρι T-Tauri.

Περιστρέφοντας τουλάχιστον δύο φορές πιο γρήγορα από ό,τι τώρα, ο έφηβος Ήλιος εκτόξευσε τεράστιες ποσότητες ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας στο διάστημα και το πρόσωπό του ήταν γεμάτο με τεράστιες ηλιακές κηλίδες. Σφοδροί άνεμοι έτρεξαν μακριά από την επιφάνειά του και είναι πιθανό ότι δύο πίδακες υλικού υψηλής ταχύτητας εξερράγησαν από τους πόλους του.

Αυτός είναι ένας τρόπος με τον οποίο θεωρείται ότι η γωνιακή ορμή μεταφέρεται από ένα πρωτοάστρο στον περιβάλλοντα δίσκο και αρχίζει να επιβραδύνει τον ρυθμό περιστροφής του.

Εν τω μεταξύ, το υλικό στο δίσκο έχει ήδη αρχίσει να συσσωρεύεται. Πρώτον, οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις ενώνουν μικροσκοπικούς κόκκους σκόνης για να σχηματίσουν μικροσκοπικά βότσαλα. Στη συνέχεια κυριαρχεί η βαρύτητα, συγκρούοντας τα βότσαλα μεταξύ τους ξανά και ξανά, μετατρέποντάς τα τελικά σε τεράστιους ογκόλιθους πλάτους αρκετών εκατοντάδων μέτρων.

Τρυπούνται μεταξύ τους με τη σειρά τους, δημιουργώντας πανίσχυρα πλανητάρια πλάτους έως και 10 χιλιομέτρων. Η σύνθεση αυτών των δομικών στοιχείων εξαρτάται από το πού σχηματίζονται. Κοντά στον πρωτοήλιο είναι τόσο ζεστό που τα περισσότερα υλικά απλά εξατμίζονται. Τα μόνα στοιχεία που μπορούν να επιβιώσουν στην κόλαση είναι αυτά με εξαιρετικά υψηλά σημεία βρασμού, όπως ο σίδηρος και το νικέλιο.

Διαβάστε περισσότερα για τον Ήλιο:

• Κρύσταλλοι παγιδευμένοι σε μετεωρίτες αποκαλύπτουν το βίαιο παρελθόν του Ήλιου
• Γιατί ο Ήλιος δεν συγχωνεύει όλο το υδρογόνο του ταυτόχρονα και δεν εκρήγνυται σαν βόμβα H;

Τελικά, μερικές εκατοντάδες βαρείς, βραχώδεις-μεταλλικοί πρωτόκοσμοι περιφέρονται στο εσωτερικό ηλιακό σύστημα. Περαιτέρω συγκρούσεις τους βλέπουν να μετατρέπονται στους τέσσερις επίγειους πλανήτες, διάσπαρτους γύρω από φεγγάρια και αστεροειδείς – αστρονομικές αποκοπές.

Πέρα από τη ζέστη, όπου οι θερμοκρασίες πέφτουν κατακόρυφα κάτω από το μηδέν, σχηματίζονται μόρια νερού, μεθανίου και πάγου αμμωνίας και συγκρούονται για να δημιουργήσουν πυρήνες παγωμένου υλικού. Μέσα σε λίγα εκατομμύρια χρόνια υπήρχαν παγωμένα αντικείμενα τετραπλάσια της μάζας της Γης που απείχαν περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο χιλιόμετρα από τον πρωτοήλιο.

Συγκρούστηκαν, επίσης, και προσέλκυσαν μέρος του αερίου που είχε απομείνει από το αρχικό νεφέλωμα, και έγιναν οι τέσσερις γιγάντιοι πλανήτες του εξωτερικού ηλιακού συστήματος. Το 2019, μια ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον Ko Arimatsu από το Εθνικό Αστρονομικό Αστεροσκοπείο της Ιαπωνίας ανακάλυψε έναν πλανητικό πλάτος χιλιομέτρου άθικτο ακόμα πέρα ​​από την τροχιά του Ποσειδώνα.

Τα μικρότερα παγωμένα τετράγωνα που έχουν απομείνει είναι τώρα οι κομήτες που περιπολούν στα παγωμένα περίχωρα της γειτονιάς μας. Οι ισχυροί άνεμοι του νεαρού Ήλιου καθάρισαν το μεγαλύτερο μέρος του εναπομείναντος αερίου και σκόνης, αφήνοντας πίσω του ένα εκκολαπτόμενο ηλιακό σύστημα. Αυτές οι ριπές είναι τόσο έντονες που μπορούν να αποτρέψουν τη δημιουργία άλλων άστρων κοντά, κάτι που οι αστρονόμοι εντόπισαν στο Νεφέλωμα του Ωρίωνα για πρώτη φορά το 2019.

Με την πάροδο του χρόνου, οι νέοι πλανήτες έκαναν τζόκεϊ και έτρεξαν για τη θέση τους, εκτινάσσοντας μερικούς πρωτοπλανήτες πέρα ​​από τους βαρυτικούς συμπλέκτες του Ήλιου. Άλλοι χτύπησαν ο ένας πάνω στον άλλο. Μόλις 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη δημιουργία της Γης, τυφλώθηκε από έναν πρωτοπλανήτη στο μέγεθος του Άρη. Τα συντρίμμια που προέκυψαν διασκορπίστηκαν σε τροχιά τελικά ενώθηκαν για να σχηματίσουν το φεγγάρι μας.

Γιατί συνέβη;

Είναι μια φανταστική ιστορία, αλλά λείπει ένα βασικό σημείο της πλοκής:τι ανάγκασε την κατάρρευση του νεφελώματος στην αρχή;

Μπορεί απλώς να βρήκαμε την απάντηση χάρη στην πρόσφατη ανάλυση του υλικού αστεροειδών. Αυτά τα κομμάτια βράχου και μετάλλου είναι υπολείμματα πλανητοειδών, που προϋπήρχαν των ίδιων των πλανητών. Μερικές φορές πέφτουν στη Γη με τη μορφή μετεωριτών, παρέχοντας μια ανεκτίμητη χρονοκάψουλα μέσω της οποίας οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν για το παρελθόν του ηλιακού συστήματος.

Ένας αστεροειδής για έναν αστρονόμο είναι σαν ένα απολίθωμα για έναν παλαιοντολόγο - περιέχει τα μυστικά της ιστορίας. Το παλαιότερο υλικό μέσα σε αυτούς τους αστεροειδείς και μετεωρίτες είναι ηλικίας 4,6 δισεκατομμυρίων ετών, με τον οποίο οι αστρονόμοι μπορούν να εκτιμήσουν πόσο καιρό πριν το νεφέλωμα που σχημάτισε το ηλιακό σύστημα άρχισε να συγκεντρώνεται.

Περιέχουν επίσης στοιχεία για βραχύβια ραδιενεργά ισότοπα – σπάνιες εκδόσεις οικείων χημικών στοιχείων όπως αλουμίνιο και σίδηρος. Πάρτε σίδηρο-60. Ένα συνηθισμένο άτομο σιδήρου (σίδηρος-56) περιέχει είκοσι έξι πρωτόνια και τριάντα νετρόνια στον πυρήνα του, που είναι συνολικά 56.

Ο σίδηρος-60 έχει είκοσι έξι πρωτόνια και τριάντα τέσσερα νετρόνια, καθιστώντας τον βαρύ και ασταθή. Σε μια προσπάθεια να σταθεροποιήσει την κατάσταση, ένα από τα νετρόνια του αλλάζει σχήμα σε πρωτόνιο, μετατρέποντας το άτομο του σιδήρου-60 σε ένα άτομο του νικελίου-60. Αφήστε ένα κομμάτι σιδήρου-60 μόνο για 2,6 εκατομμύρια χρόνια και τα μισά άτομα του θα έχουν υποστεί αυτήν την αλλαγή.

Μετά από 21 εκατομμύρια χρόνια, περισσότερο από το 99 τοις εκατό θα το έχει κάνει. Καθώς το ηλιακό σύστημα είναι σχεδόν 5 δισεκατομμυρίων ετών, κάθε σίδηρος-60 έχει εξαφανιστεί εδώ και πολύ καιρό από τους αστεροειδείς. Ωστόσο, το σταθερό νικέλιο-60 στο οποίο διασπάστηκε παραμένει.

Το 2017, μια ομάδα αστρονόμων από το Ινστιτούτο Επιστήμης Carnegie στην Ουάσιγκτον, DC ανέλυσε μια οικογένεια μετεωριτών γνωστών ως ανθρακούχων χονδρίτες. Βρήκαν αρκετό νικέλιο-60 για να υποδηλώσουν ότι υπήρχαν σημαντικές ποσότητες σιδήρου-60 όταν σχηματίστηκαν οι μητρικοί αστεροειδείς των μετεωριτών.

Δεν υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους το σύμπαν μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες σιδήρου-60. Είναι γνωστό ότι παράγεται όταν πεθαίνουν τεράστια αστέρια σε μια καταστροφική έκρηξη που ονομάζεται supernova .

Έτσι, τα ευρήματα της ομάδας Carnegie υπαινίσσονται μια ή περισσότερες σουπερνόβα που εκρήγνυνται σε κοντινή απόσταση από τον Ήλιο. Αυτό μπορεί να συνέβη όταν ο Ήλιος είχε ήδη σχηματιστεί, εγχύοντας έναν υπάρχοντα δίσκο με σίδηρο-60.

Διαβάστε περισσότερα για τη Γη:

• Γιατί η Γη περιστρέφεται;
• Γιατί η Γη δεν είναι μια τέλεια σφαίρα;

Αλλά αν συνέβαινε πριν σχηματιστεί ο Ήλιος, τότε το κρουστικό κύμα θα είχε συμπιέσει το σύννεφο, ανατρέποντάς το πάνω από την άκρη της αστάθειας του Τζιν και θέτοντάς το σε μια σίγουρη διαδρομή για να δημιουργήσουμε το πλησιέστερο αστέρι μας.

Αυτό σημαίνει ότι είμαστε όλοι συνδεδεμένοι. Το σύμπαν είναι ένας μεγάλος σταθμός ανακύκλωσης:τα αστέρια του χθες αναδεύτηκαν στους πλανήτες του αύριο. Μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί αυτό το ηλιακό σύστημα κατέληξε με ζωή σε αυτό.

Μόνο τα πιο βαριά αστέρια μπορούν να γίνουν σουπερνόβα. Για το τελευταίο μέρος της ζωής τους υπάρχει μια φρενίτιδα δραστηριότητας δημιουργίας στοιχείων στους πυρήνες τους. Ο άνθρακας γίνεται άζωτο, το οποίο μεταμορφώνεται σε οξυγόνο. Τελικά, το πυρίτιο συνθλίβεται σε σίδηρο, ενεργοποιώντας τον σουπερνόβα καθώς το αστέρι λυγίζει κάτω από το βάρος του.

Η έκρηξη εκτοξεύει αυτά τα στοιχεία στο διάστημα, όπου αναμιγνύονται με το περιβάλλον υλικό για να σχηματίσουν γιγάντια διαστρικά σύννεφα - νεφελώματα. Το οξυγόνο που αναπνέετε και ο σίδηρος στα ερυθρά αιμοσφαίρια σας, τα οποία αυτή τη στιγμή μεταφέρουν αυτό το οξυγόνο γύρω από το σώμα σας, δημιουργήθηκαν μέσα στα αστέρια.

Το ηλιακό νεφέλωμα ήταν γεμάτο με σκάγια από αστρικές εκρήξεις, εμπλουτίζοντάς το με αυτά τα βαριά στοιχεία. Τελικά, μερικά από αυτά κατέληξαν ως μέρος της Γης όταν το υλικό στον πρωτοπλανητικό δίσκο του Ήλιου συγκεντρώθηκε υπό τη βαρύτητα.

Λίγο μετά τη δημιουργία του πλανήτη μας, κάποια άγνωστη ακόμη διαδικασία μετέτρεψε μια σούπα από αυτά τα στοιχεία στις πρώτες μορφές ζωής. Χωρίς σουπερνόβα απλά δεν θα ήμασταν εδώ. Χωρίς άνθρακα, χωρίς οξυγόνο, χωρίς σίδηρο.

Όπως είπε κάποτε ο Αμερικανός αστρονόμος Καρλ Σάγκαν, «Είμαστε όλοι φτιαγμένοι από αστέρια». Είναι ο κύκλος της ζωής που διαδραματίζεται στις σπουδαιότερες σκηνές. Ο θάνατος ενός αστεριού οδηγεί στη γέννηση ενός άλλου.

Rebel Star:Our Quest to Solve the Great Mysteries of the Sun από τον Colin Stuart (£16,99, Michael O'Mara Books) κυκλοφορεί τώρα.

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard