Οι περιπλανώμενοι διαστημικοί βράχοι βοηθούν στην επίλυση των μυστηρίων του σχηματισμού πλανητών

Το 2017, ένας βράχος με περίεργο σχήμα με μια παράξενα ακανόνιστη τροχιά σάρωσε το ηλιακό σύστημα, φεύγοντας όσο γρήγορα έφτασε. Οι αστρονόμοι σύντομα συνειδητοποίησαν ότι δεν ήταν από εδώ γύρω. Χτύπησε το τροχιακό επίπεδο των πλανητών από την κορυφή προς τα κάτω, σαν ένα βέλος που πετάχτηκε στους ομόκεντρους δακτυλίους ενός βελονιού, και κινήθηκε εξαιρετικά γρήγορα, πολύ γρήγορα για να πιαστεί στη βαρύτητα του ήλιου. Ήταν επίσης εξαιρετικά σκοτεινό και φαινόταν παράξενα επιμήκη, αλλά επειδή ήταν τόσο γρήγορο, πολλές από τις ιδιότητές του θα παραμείνουν για πάντα μυστηριώδεις.

Αλλά αποδεικνύεται ότι το αντικείμενο, ο πρώτος διαστρικός αστεροειδής που παρατηρήθηκε ποτέ, δεν ήταν μοναδικός. Μπορεί να μην είναι και τόσο σπάνιο. Οι αστρονόμοι συνειδητοποιούν ότι αντικείμενα σαν αυτόν μπορεί να χαροποιούν τον γαλαξία, ίσως σε τόσο μεγάλους αριθμούς που επηρεάζουν το σχηματισμό μεγαλύτερων κόσμων, ίσως και ολόκληρων πλανητικών συστημάτων — συμπεριλαμβανομένου του δικού μας.

Η εμφάνιση του αστεροειδούς, ο οποίος έχει ονομαστεί «Oumuamua, ήταν μια δραματική επίδειξη μιας θαλάσσιας αλλαγής στην αστρονομία:η αναγνώριση ότι το ηλιακό σύστημα δεν υπάρχει στο κενό, τουλάχιστον μεταφορικά. Κανένας πλανήτης δεν είναι νησί και κανένα αστέρι δεν σχηματίζεται μεμονωμένα. Ο Κόσμος είναι γεμάτος από πράγματα που αλληλεπιδρούν σε αποστάσεις και χρονικά διαστήματα πολύ μεγαλύτερα από ό,τι εκτιμούσαν οι ερευνητές εδώ και πολύ καιρό, από αφάνταστα τεράστιους πίδακες αερίου που ρέουν μέσω του διαστρικού χώρου έως «πλανητοειδή ψίχουλα τύπου Oumuamua διασκορπισμένα σαν σπόροι πικραλίδας στον άνεμο.

Αυτή η συνειδητοποίηση αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι αστρονόμοι σκέφτονται για το πώς σχηματίζονται τα αστρικά συστήματα. Οι ερευνητές που μελετούν τη γέννηση πλανητικών συστημάτων δεν έχουν εξετάσει προηγουμένως πράγματα όπως οι αστροφυσικές ροές αερίων, για παράδειγμα. «Πριν, θα μπορούσαμε απλώς να μείνουμε στη λωρίδα μας», είπε η Σάρα Τ. Στιούαρτ, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις. Όμως, καθώς οι ερευνητές αναθεωρούν τη συνταγή για τα ηλιακά συστήματα, τώρα συγκεντρώνουν συστατικά από όλο τον κόσμο.

Οι νέες ιδέες που ξεπηδούν από αυτό το έργο έχουν αρχίσει να προσφέρουν πιθανές απαντήσεις σε διάφορα εξωπλανητικά μυστήρια. Για παράδειγμα, οι πλανήτες φαίνεται να εκκολάπτονται πολύ νωρίτερα στη ζωή ενός άστρου από ό,τι οι αστροφυσικοί πίστευαν ότι είναι δυνατό. Επιπλέον, τεράστιοι πλανήτες φαίνεται να αναπτύσσονται από σχετικά μικρές ποσότητες αερίου και σκόνης - ένα κόλπο με ψωμιά και ψάρια σε αστρονομική κλίμακα. Και οι αστρονόμοι προσπαθούν να κατανοήσουν την έλλειψη πλανητών λίγο μεγαλύτερους από τη Γη.

Όλα αυτά υποδηλώνουν ένα ξεκάθαρο γεγονός:Οι πλανητολόγοι εξακολουθούν να μην έχουν αλεξίσφαιρη κατανόηση του πώς δημιουργούνται οι πλανήτες. Τα μοντέλα τους είναι πολλά και ημιτελή. Αλλά τώρα, με τον αυξανόμενο συνδυασμό ιδεών από μερικούς από αυτούς τους διαφορετικούς κλάδους, οι ερευνητές αρχίζουν να αποκτούν πιο σταθερό χειρισμό στη διαδικασία δημιουργίας πλανητών. "Το γεγονός ότι δεν έχουμε καταλήξει σε κανένα πράγμα" για το πώς δημιουργούνται οι πλανήτες, είπε ο Stewart, "είναι επειδή έχουμε μάθει τόσα πολλά νέα πράγματα."

Ένας πλανήτης από σπόρο

Πέρυσι, σε μια συνάντηση στην Ελβετία σχετικά με τον Oumuamua, η Michele Bannister και η Susanne Pfalzner κάθισαν μαζί σε ένα διάλειμμα για καφέ. Ο Pfalzner, ένας αστρονόμος στο Ερευνητικό Κέντρο Jülich στη Γερμανία, ρώτησε τυχαία τον Bannister, έναν ειδικό στον σχηματισμό πλανητών, τι θα συνέβαινε αν κάποιο αντικείμενο «όπως το Oumuamua από το διαστρικό διάστημα περνούσε από το δίσκο που περιβάλλει ένα νεαρό αστέρι. «Ποιο είναι το αποτέλεσμα όλων αυτών των πραγμάτων στο δίσκο;» ρώτησε. "Τι κάνει ένα διαστρικό αντικείμενο αν μπει σε έναν πρωτοπλανητικό δίσκο;"

Ο Μπάνιστερ, ο οποίος συνέγραψε ένα από τα πρώτα άρθρα για τον «Οουμουαμούα, το σκέφτηκε για ένα λεπτό. Το Oumuamua έχει μήκος περίπου 100 μέτρα — αρκετά μεγάλο για να κάνει έναν κυματισμό σε ένα κυματιστό σύννεφο σκόνης και αερίου. «Κοιταχτήκαμε ο ένας τον άλλον και σκεφτήκαμε:«Αυτό πρέπει να είναι σημαντικό», είπε ο Μπάνιστερ. Το ζευγάρι άρχισε να σκιαγραφεί ιδέες.

«Όσο περισσότερο το κοίταζα αυτό, τόσο περισσότερο δεν μπορούσα να πιστέψω ότι κάποιος δεν το είχε ήδη σκεφτεί», είπε ο Μπάνιστερ, αστρονόμος στο Queen's University του Μπέλφαστ.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο στο The Astrophysical Journal Letters , οι Bannister και Pfalzner υποστηρίζουν ότι πετρώματα όπως το Oumuamua μπορεί να είναι καταλύτες για το σχηματισμό πλανητών. Υπάρχουν πιθανώς αμέτρητα δισεκατομμύρια τέτοια αντικείμενα που πλέουν στον κόσμο, λένε. Όταν κάποιος διασταυρώνεται με ένα φουσκωτό περίβλημα αερίου και σκόνης που περιβάλλει ένα νεαρό αστέρι, μπορεί να προκαλέσει αναταράξεις και διάτμηση που αναδεύει το αέριο, σμιλεύοντάς το σε σχέδια που αργότερα σχηματίζουν πλανήτες.

Επιπλέον, υποστηρίζουν ότι «αντικείμενα που μοιάζουν με το Oumuamua μπορεί να κινούνται με τη σωστή ταχύτητα για να γίνουν μόνιμοι κάτοικοι. Τα βρεφικά ηλιακά συστήματα θα μπορούσαν να πιάσουν μεγάλο αριθμό από αυτούς τους διαστρικούς ταξιδιώτες. Στα νέα τους σπίτια, αυτοί οι μετανάστες θα άρχιζαν να μαζεύουν μικρότερα βότσαλα και κόκκους σκόνης, μεγαλώνοντας σε μεγαλύτερα αντικείμενα. Με αυτόν τον τρόπο, θα παρείχαν τα δομικά στοιχεία για τη συσσώρευση βότσαλων, μια θεωρία που εξηγεί πώς τα μεγάλα αντικείμενα μπορούν να αναπτυχθούν πολύ γρήγορα σε πλανήτες.

«Δεν είναι μια τεράστια ποσότητα μάζας. Είναι περισσότερο η παρουσία τους στο δίσκο που θα το πυροδοτούσε», είπε ο Pfalzner. «Είναι ένα στάδιο σποράς. Μπορείς να φυτέψεις ένα τεράστιο δέντρο, αλλά πάντα ξεκινά από έναν μικροσκοπικό σπόρο. Δεν είναι η μάζα του σπόρου. Είναι η δυνατότητα, αν θέλετε."

Χρειάζεται κάποιο είδος σπόρου. Πρόσφατες παρατηρήσεις από τηλεσκόπια όπως το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array δείχνουν ότι οι πλανήτες σχηματίζονται πολύ γρήγορα γύρω από νεαρά αστέρια. Αυτό φαίνεται περίεργο, με βάση τα όσα γνωρίζουν οι αστρονόμοι για τον σχηματισμό πλανητών, αλλά είναι πιθανό οι παρεμβαίνοντες να βοηθούν, λέει ο Bannister.

Ωστόσο, αυτές οι ιδέες μπαίνουν στο παιχνίδι μόνο εάν τυχαίνει να υπάρχει ένας τόνος αντικειμένων που μοιάζουν με την Oumuamua που πλέουν στο σύμπαν. Είναι σχεδόν αδύνατο να τα βρούμε απευθείας – είναι σκοτεινά και μικρά, χωρίς αστέρια, σαν σκνίπες πάνω από τον ωκεανό σε μια νύχτα χωρίς φεγγάρι. Αλλά πολλοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι είναι κοινά.

«Αν κοιτάξετε το Oumuamua, δεν υπάρχει περίπτωση να είναι ο πρώτος διαστρικός επισκέπτης στο ηλιακό μας σύστημα. είναι απλώς το πρώτο που έχουμε παρατηρήσει», δήλωσε ο Paul Byrne, πλανητικός γεωλόγος στο North Carolina State University. "Και δεν υπάρχει περίπτωση να είναι το μόνο, πράγμα που σημαίνει ότι πιθανώς υπάρχουν πολλά από αυτά."

Πρόσφατη εργασία υποστηρίζει έμμεσα ότι είναι πράγματι κοινά. Το 2018, οι ερευνητές εντόπισαν οκτώ υπερβολικούς κομήτες που θα μπορούσαν να προέρχονται από ένα διαφορετικό αστέρι. Και τον Απρίλιο, ο Amir Siraj και ο σύμβουλός του, Avi Loeb, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, υποστήριξαν ότι ένας μετεωρίτης που κάηκε στην ατμόσφαιρα της Γης το 2014 πιθανότατα προήλθε και από έξω από το ηλιακό σύστημα.

"Το γεγονός ότι προσφέρουν αυτό το μέσο με το οποίο μπορείτε να αρχίσετε να συσσωρεύετε πράγματα σημαίνει ότι αυτό πρέπει να είναι, νομίζω, ένα εύλογο πράγμα που πρέπει να προσθέσουμε στην κατανόησή μας για το πώς μεγαλώνουν αυτά τα σώματα", είπε ο Byrne.

Ο Μπάνιστερ είπε ότι η έννοια των σπόρων πλανητών θα μπορούσε ακόμη και να εξηγήσει γιατί κανείς δεν έχει βρει εξαιρετικά αρχαίους πλανήτες γύρω από τα πρώτα αστέρια του γαλαξία. «Ίσως στην πρώιμη ιστορία του γαλαξία, δεν είχαμε αρκετούς σπόρους», είπε. "Ίσως [οι πλανήτες] σχηματίστηκαν πιο αργά και ενδεχομένως με λιγότερη αποτελεσματικότητα."

Ωστόσο, εάν αυτοί οι βράχοι που μοιάζουν με την Oumuamua μπορούν να εξηγήσουν γιατί οι πλανήτες στο μακρινό παρελθόν ήταν σπάνιοι και γιατί οι πλανήτες σήμερα σχηματίζονται τόσο γρήγορα, αυτό εγείρει ένα νέο ερώτημα:Από πού προήλθαν οι πρώτοι σπόροι;

Κοσμικές συγκρούσεις

Αέριο και σκόνη στροβιλίζονται γύρω από νεαρά αστέρια σε μεγάλους, χοντρούς δίσκους, που τυλίγονται με αναταράξεις και γεμίζουν με δίνες. Κάπως, σε μια διαδικασία που οι ερευνητές δεν καταλαβαίνουν, οι κόκκοι σκόνης σε αυτούς τους δίσκους συνδυάζονται για να σχηματίσουν σωματίδια βράχου μεγέθους χιλιοστού που ονομάζονται χοντρούλες. Αυτά είναι ένα σημαντικό συστατικό στην πιο κοινή μορφή διαστημικού βράχου του ηλιακού συστήματος και στους χονδρίτες, την πιο κοινή μορφή μετεωρίτη που πέφτει στη Γη.

Δεδομένου ότι οι χονδρίτες είναι συνηθισμένοι, οι χονδρίτες πρέπει να ήταν ένα κοινό συστατικό όταν σφυρηλατήθηκαν οι πλανήτες. Ήταν μερικά από τα πρώτα στερεά και βοηθούν στην χρονολόγηση του ηλιακού συστήματος και των θεμελιωδών δομικών στοιχείων του. Οι ερευνητές έχουν μερικές ιδέες για το πώς οι χόνδροι ενώνονται για να σχηματίσουν μεγαλύτερους χονδρίτες. Ωστόσο, ακόμη και με τις καλύτερες σημερινές προσομοιώσεις υπολογιστή και τις πιο λεπτομερείς παρατηρήσεις άλλων πλανητικών συστημάτων, δεν υπάρχει συναίνεση για το πώς σχηματίζονται οι ίδιοι οι χόνδροι.

Είναι σαν το ηλιακό σύστημα να ήταν φτιαγμένο από πολλά σπίτια από τούβλα. Οι ερευνητές κατανοούν τη διαδικασία με την οποία τα τούβλα ενώνονται για να φτιάξουν ένα σπίτι. Αλλά τι κάνει τα τούβλα;

Μέρος του προβλήματος είναι ότι κανένα μοντέλο δεν μπορεί να ικανοποιήσει όλες τις ιδιαίτερες ιδιότητες των chondrules, είπε ο Stewart. Αυτές οι μικροσκοπικές πυριγενείς σταγόνες πρέπει να έχουν λιώσει ξαφνικά σε θερμοκρασίες έως και 2.000 βαθμούς Κελσίου, μια ακραία κατάσταση που τα καλύτερα μοντέλα σχηματισμού ηλιακού συστήματος έχουν πρόβλημα να αναπαραγάγουν. Οι ιδέες για το πώς σχηματίζονται οι χόνδροι περιλαμβάνουν κεραυνούς. χημικές αντιδράσεις που καταλήγουν σε ένα είδος αυθόρμητης καύσης. κρουστικά κύματα από κοντινές εκρήξεις σουπερνόβα. μαγνητικά πεδία; συγκρούσεις πλανητοειδών όπως το ‘Oumuamua; εκρήξεις ακτίνων γάμμα? και ζεστασιά από πλανητάρια που ήταν ακόμα λιωμένα από τις διαδικασίες σχηματισμού των άστρων.

Ο Stewart προτείνει μια άλλη πιθανότητα. Είπε ότι οι ροές αερίων που προκαλούνται από βίαιες, ατμοποιητικές συγκρούσεις μπορούν να σπρώξουν μαζί τις μικρότερες σταγόνες λιωμένου βράχου, οι οποίες αρχίζουν να συνδυάζονται. Η ιδέα είναι μοναδική στο ότι συνδυάζει την αστροφυσική με τις διαδικασίες σχηματισμού πλανητών με τρόπους που οι ερευνητές δεν είχαν κάνει στο παρελθόν.

Η Stewart μελετά μια παράξενη νέα πλανητική φάση που ονομάζεται συνεστία, την οποία πρότειναν μαζί με τον Simon Lock, έναν πλανητικό επιστήμονα τώρα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, το 2017 για να περιγράψουν τον σχηματισμό της σελήνης. Η συνεστία είναι ένα φουσκωμένο, διογκωμένο σύννεφο ατμοποιημένου βράχου σε σχήμα φουσκωμένου κουλούρι. Σε μια συνεστία, το υλικό που έφτιαξε τη Γη και τη Σελήνη θα είχε αναμειχθεί πλήρως.

Ενώ ασχολιόταν με τον κώδικά της, η Στιούαρτ συνειδητοποίησε ότι κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να οδηγήσει τους προδρόμους των χοντρουλών μαζί, ώστε να μπορούν να συνδυαστούν, όπως το κουρκούτι μπισκότου με βότσαλο που τελικά σχηματίζει μια συνεκτική ζύμη.

Η διαδικασία θα ξεκινήσει με πλανητοειδείς, αρχέγονα κομμάτια βράχου που περιβάλλουν τον νεαρό ήλιο. Μπορεί να είναι παρεμβαίνοντες όπως ο «Οουμουαμούα». Εναλλακτικά, μπορεί να είχαν σχηματιστεί πολύ σύντομα μετά τη γέννηση του αστεριού μας. Όποια και αν ήταν η προέλευσή τους, θα ήταν άφθονα και θα συγκρούονταν μεταξύ τους μέσα στο γεμάτο με αέριο ηλιακό νεφέλωμα, σε ένα παιχνίδι μπιλιάρδου αμοιβαίας σίγουρης καταστροφής.

Όταν αυτά τα πρωτόγονα πλανητάρια συγκρούονταν, θα εξατμίζονταν και οι ατμοί τους θα επεκταθούν στο ακόμα καυτό ηλιακό νεφέλωμα. Αυτή η εξάτμιση θα συνέβαινε με τέτοια θερμότητα και δύναμη που θα δημιουργούσε ένα σοκ με τόξο, παρόμοιο με το πώς ένα αεροπλάνο προκαλεί ένα ηχητικό κύμα κρούσης όταν φυσά μέσα από το ηχητικό φράγμα. Το σοκ πλώρης θα ωθούσε τα αέρια του νεφελώματος προς τα έξω, δημιουργώντας μια κεντρική περιοχή χαμηλής πίεσης. Στη συνέχεια, καθώς το νέφος των ατμών κατέρρεε για να γεμίσει αυτή την περιοχή χαμηλής πίεσης, οι ροές αερίων θα κάλυπταν μαζί τα σταγονίδια του εξατμισμένου βράχου. Η διαστολή του νέφους ατμού και η επακόλουθη κατάρρευσή του θα δημιουργούσαν σταγονίδια πυριτικού άλατος που είναι σύμφωνα με τα μεγέθη των χονδρυλίων.

"Χρειάζεστε αέριο για να φυσήξετε τα βότσαλα μαζί, ώστε να μπορούν να συγκρουστούν και να συνδυαστούν", είπε ο Stewart.

Όλα αυτά συμβαίνουν αστραπιαία - σε διάστημα ημερών έως εβδομάδων, μόλις μια ανάσα στα πλανητικά χρονοδιαγράμματα. Αλλά αυτή η παροδική, βίαιη διαδικασία είναι προφανώς κρίσιμη για το πώς σχηματίστηκε το ηλιακό μας σύστημα, είπε ο Stewart. Επισημαίνει ότι ο ρόλος του νεφελώδους αερίου και ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά με τον εξατμισμένο βράχο δεν είχε αναγνωριστεί στο παρελθόν.

«Όταν το δούλευα, συνέχισα να το κοιτάζω και έλεγα:«Ω, έσπασα τον κωδικό!» Μετά, «Όχι, περίμενε! Αυτή είναι πραγματική φυσική», είπε. "Υπήρχαν τρελά πράγματα που δεν είχαμε ξαναδεί, γιατί κανείς δεν είχε βάλει γκάζι."

Παρουσίασε τα πρώτα ευρήματά της στο Συνέδριο Σεληνιακής και Πλανητικής Επιστήμης στο Χιούστον τον Μάρτιο, αλλά τα αποτελέσματά της δεν έχουν ακόμη δημοσιευθεί.

Αλλά για να λειτουργήσουν οι ιδέες της που παράγουν χόνδρους, η Στιούαρτ χρειάζεται ακόμα έναν αρχικό σπόρο - τα πλανητάρια που καταστρέφουν το ένα το άλλο για να φτιάξουν χόντρουλες. Από πού προέρχονται αυτοί οι σπόροι είναι ένα ερώτημα για μεταγενέστερη έρευνα, λένε η Stewart και οι συνεργάτες της. Ίσως το ηλιακό σύστημα να ήταν γεμάτο από «σπόρους τύπου Oumuamua που περνούσαν από μέσα — ακριβώς όπως προτείνουν οι Bannister και Pfalzner ότι θα μπορούσε να συμβαίνει μεταξύ της νεότερης γενιάς πλανητών.

Ωστόσο, η Stewart είπε ότι έχει λάβει μια "αχα απάντηση" στο έργο. «Αυτή είναι μια ανακάλυψη με την καθαρή έννοια. Έχει αυτή τη σωστή πτυχή», είπε.

Κοσμικές Συνδέσεις

Το έργο του Stewart για τους χόνδρους και οι ιδέες των Bannister και Pfalzner για το σχηματισμό πλανητών αποτελούν μέρος μιας αναδυόμενης κατανόησης ότι ακόμη και στο διάστημα, τα πάντα συνδέονται. «Πρέπει να περάσετε από ένα τεράστιο αριθμό διαφορετικών πεδίων στην αστροφυσική», είπε ο Pfalzner:«το διαστρικό μέσο, ​​τα μοριακά νέφη, ο σχηματισμός των αστεριών, οι δίσκοι γύρω τους, ο σχηματισμός των πλανητών».

Δεδομένα από μελλοντικά παρατηρητήρια όπως το Large Synoptic Survey Telescope (LSST) θα μπορούσαν να εντείνουν την ανάγκη σκέψης σε πολλές διαφορετικές κλίμακες μεγέθους. Το LSST μπορεί να είναι σε θέση να αναλύει μικροσκοπικά βότσαλα στο ηλιακό μας σύστημα, επιτρέποντας στους αστρονόμους να αναζητήσουν περισσότερα αντικείμενα που μοιάζουν με το Oumuamua. «Νομίζω ότι είναι πραγματικά, πραγματικά συναρπαστικό αν το ηλιακό μας σύστημα είναι γεμάτο από αυτά τα διαστρικά θραύσματα που έχουν προέλθει από άλλα ηλιακά συστήματα, ότι υπάρχουν κομμάτια από άλλα ηλιακά συστήματα που επιπλέουν», είπε ο Byrne. "Το LSST πρόκειται να ανοίξει ολόκληρο αυτόν τον νέο κόσμο", έναν που συνδέει το ηλιακό μας σύστημα με άλλα ηλιακά συστήματα σε όλο τον κόσμο σε χρόνο και χώρο.

Είπε ο Bannister, "Οι συνέπειες είναι τόσο διασκεδαστικές."