Οι πλανήτες γεννιούνται από δαχτυλίδια παγίδας σκόνης
Το μόνο που είμαστε είναι σκόνη στον άνεμο, φίλε. Το ίδιο ισχύει για τους πλανήτες και τους αστεροειδείς και τους κομήτες. Ξεκινώντας από τις σκονισμένες απαρχές μας, η βαρύτητα και ένα χάος άλλων δυνάμεων συνωμότησαν για να χτίσουν το ηλιακό μας σύστημα. Υπάρχει μια αξιοσέβαστη παράδοση στην προσπάθεια να καταλάβουμε πώς πρέπει να ήταν αυτή η μεγάλη και ταραχώδης διαδικασία. Σήμερα, με τη βοήθεια εξελιγμένων προσομοιώσεων, οι επιστήμονες μπορούν να ασχοληθούν σχολαστικά με μοντέλα που θα μπορούσαν να μας δείξουν πώς το ηλιακό σύστημα έγινε όπως είναι τώρα. Σε μια νέα Αστρονομία της Φύσης χαρτί, κάνουμε ένα βήμα προς τα εμπρός βασιζόμενοι σε μερικές από τις πιο συναρπαστικές ιδέες μέχρι σήμερα.
Αυτό ήταν εδώ και καιρό μια δελεαστική πρόκληση. Ο Γερμανός μεγαλόσωμος φιλόσοφος Immanuel Kant και ένας από τους σημαντικότερους επιστημονικούς θεωρητικούς της Γαλλίας, ο Pierre Laplace, και οι δύο στοχαστές του 18ου αιώνα, νόμιζαν ότι όλα ξεκίνησαν από έναν δίσκο σκόνης και αερίου που γύριζε γύρω από τον νεαρό ήλιο. Αργότερα, πριν από περίπου έναν αιώνα, ο Thomas Chamberlain και ο Forest Moulton πρότειναν μια διαφορετική ιδέα, ότι οι πλανήτες σχηματίστηκαν από βραχώδη σώματα μεγέθους πόλης σε κομητεία που ονομάζονται πλανητικαί. Αποδεικνύεται ότι και οι δύο ιδέες είναι βασικά σωστές. Οποιοσδήποτε σήμερα μπορεί να περάσει μια ώρα κοιτάζοντας εικόνες της NASA από τηλεσκόπια που αποκαλύπτουν δίσκους γύρω από νεαρά αστέρια που οι αστρονόμοι υποπτεύονται ότι σχηματίζουν πλανήτες καθώς διαβάζετε. Οι αστεροειδείς και οι κομήτες είναι απόδειξη ότι σχηματίστηκαν βραχώδεις και παγωμένοι πλανητάρχες σε όλο το ηλιακό σύστημα.
Προτείνουμε ότι οι πλανήτες σχηματίστηκαν από τρεις ξεχωριστούς δακτυλίους πλανητομικρών μέσα σε έναν αέριο δίσκο γύρω από τον ήλιο. Αυτό το μοντέλο δίνει επίσης νόημα στους πλανητικούς δίσκους γύρω από άλλα αστέρια, συνδέοντάς τους με τις τροχιές των πλανητών και των αστεροειδών του ηλιακού μας συστήματος, καθώς και με χημικές μετρήσεις μετεωριτών. Γιατί δακτύλιοι πλανητών; Αυτή η ιδέα αρχίζει να έχει νόημα αν κοιτάξετε το ηλιακό σύστημα από μεγάλη απόσταση και φανταστείτε ότι απλώνετε τη μάζα που αποτελείται από τους πλανήτες:Σχεδόν όλο το βραχώδες υλικό συγκεντρώνεται μεταξύ των τροχιών της Αφροδίτης και της Γης με πολύ μικρή μάζα πιο κοντά στην Ήλιος ή στη ζώνη των αστεροειδών, ενώ λίγο πιο μακριά από τον ήλιο, ο Δίας και ο Κρόνος αποτελούν μια τεράστια ποσότητα μάζας που εκλεπτύνει προς το εξωτερικό ηλιακό σύστημα. Τι καθορίζει όμως τις ιδιότητες αυτών των δακτυλίων;
Τα πλανητοειδή μπορούν να συγχωνεύονται αυθόρμητα όποτε υπάρχει αρκετή σκόνη συσσωρευμένη σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία μέσα σε έναν δίσκο που κυριαρχεί το αέριο. Οι κόκκοι σκόνης αναπτύσσονται σε συγκρούσεις κόκκων σκόνης και όταν φτάνουν περίπου το ένα χιλιοστό σε μέγεθος, αρχίζουν να αισθάνονται έλξη σαν να κάνουν ποδήλατο κόντρα στον άνεμο. Αυτό κάνει τους μεγάλους κόκκους σκόνης να παρασύρονται προς τα μέσα, προς τον ήλιο. Η μοντελοποίηση έχει δείξει ότι υπάρχουν «παγίδες» σκόνης μέσα στο δίσκο, που σχετίζονται με προσκρούσεις στην τοπική πίεση αερίου.
Οι επιστήμονες βλέπουν συχνά τέτοιες δακτυλιωμένες παγίδες σε εικόνες δίσκων που σχηματίζουν πλανήτες. Μπορείτε να δείτε μερικά στην παραπάνω εικόνα, που τραβήχτηκαν με το τηλεσκόπιο ALMA (Atacama Large Millimeter Array) στη Χιλή. Οι παγίδες σκόνης μπορούν να συσχετιστούν με συγκεκριμένα σημαντικά μόρια που εξατμίζονται και συμπυκνώνονται. Στο μοντέλο μας, αυτά καταλήγουν να είναι πυριτικά πετρώματα, νερό και μονοξείδιο του άνθρακα - συνδέονται με τις τρεις ισχυρότερες παγίδες μας. Οι θερμοκρασίες συμπύκνωσης αυτών των στοιχείων κυμαίνονται από 30 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (για το μονοξείδιο του άνθρακα) έως 1500 βαθμούς (για πυριτικά άλατα). Κάθε ένα αντιστοιχεί σε μια δεδομένη τροχιακή απόσταση από το αστέρι. Η παρασυρόμενη σκόνη συσσωρεύεται σε καθεμία από αυτές τις θέσεις εντός του δίσκου και παράγει έναν δακτύλιο από πλανητάρια. Αυτοί οι τρεις δακτύλιοι είναι, στο μοντέλο μας, τα δομικά στοιχεία των πλανητών.
Μπορείτε να συνδέσετε απευθείας κάθε δακτύλιο με μια συγκεκριμένη περιοχή του ηλιακού μας συστήματος. Αυτό είναι αρκετά προσεγμένο. Στις προσομοιώσεις μας, ο εσωτερικός δακτύλιος περιέχει δύο έως τρεις φορές περισσότερη μάζα από τη Γη σε βραχώδεις πλανητάρχες. Οι δύο πιο ογκώδεις επίγειοι πλανήτες, η Αφροδίτη και η Γη, σχηματίστηκαν μέσα σε αυτόν τον δακτύλιο. Ο Άρης και ο Ερμής σκορπίστηκαν έξω από το ρινγκ, η ανάπτυξή τους καθυστέρησε. Ο Άρης αναπτύχθηκε ως επί το πλείστον από υλικό στα εξωτερικά μέρη του δακτυλίου, γεγονός που εξηγεί όμορφα τη χημική διαφορά μεταξύ του Άρη και της Γης (η Γη μοιάζει περισσότερο στη σύνθεση με μια ομάδα μετεωριτών και ο Άρης σε μια άλλη.)
Ο μεσαίος δακτύλιος είναι, στις προσομοιώσεις μας, ο πιο ογκώδης, με 50 έως 100 μάζες γης σε πλανητιώδες. Τεράστιοι πλανήτες, από 10 έως 20 μάζες της Γης, αναπτύσσονται γρήγορα μέσα στον δακτύλιο συγκρούοντας με τη σκόνη και άλλα πλανητάρια. Αυτά, λόγω της βαρύτητάς τους, συλλαμβάνουν αέριο από το δίσκο και αναπτύσσονται σε Δία και Κρόνο. Οι γίγαντες του πάγου Ουρανός και Ποσειδώνας σχηματίστηκαν επίσης στις παρυφές αυτού του δακτυλίου, αλλά η βραδύτερη ανάπτυξή τους δεν τους επέτρεψε να συλλάβουν περισσότερο αέριο.
Και η ζώνη των αστεροειδών; Αυτό βρίσκεται μεταξύ του εσωτερικού και του μεσαίου δακτυλίου. Στις προσομοιώσεις μας, μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κοσμικό «στρατόπεδο προσφύγων». Περιέχει αντικείμενα που σχηματίστηκαν σε όλο το ηλιακό σύστημα, αλλά ίσως όχι μέσα στη ζώνη, και γεννά λίγα πλανητάρια και μερικές φορές καθόλου. Αυτό ταιριάζει με την παρατηρούμενη τροχιακή κατανομή καθώς και με τις χημικές διαβαθμίσεις κατά μήκος της ζώνης που συνάγονται από μετεωρίτες που συνδέονται με διαφορετικούς τύπους αστεροειδών. Η σημερινή ζώνη περιέχει συνολικά λιγότερο από 0,05 τοις εκατό της μάζας της Γης, που αποτελείται από πλανητοειδείς διασκορπισμένους προς τα έξω από τον εσωτερικό δακτύλιο κατά την ανάπτυξη των βραχωδών πλανητών, και πλανητιώδες διάσπαρτους προς τα μέσα από τον μεσαίο δακτύλιο κατά την ανάπτυξη του αερίου - και γίγαντες πάγου.
Ο εξωτερικός δακτύλιος των πλανητών αντιστοιχεί στη σημερινή ζώνη Kuiper, τον πληθυσμό των μικρών παγωμένων σωμάτων πέρα από την τροχιά του Ποσειδώνα. Ενώ οι προσομοιώσεις μας παράγουν συνήθως 20 έως 30 γήινες μάζες σε πλανητομικρούς -δύο τάξεις μεγέθους περισσότερες από τη σημερινή ζώνη Kuiper- ταιριάζει με την ποσότητα μάζας που απαιτείται σε μια εξωτερική ζώνη για να εξηγήσει τις τρέχουσες τροχιές των γιγάντιων πλανητών.
Έτσι, το μοντέλο μας με τρεις δακτυλίους αναπαράγει αυτό που θα μπορούσατε να ονομάσετε τροχιακή αρχιτεκτονική του ηλιακού μας συστήματος. Θα ήταν εντυπωσιακό εάν αυτές οι ίδιες διαδικασίες μπορούσαν να εξηγήσουν την ποικιλομορφία άλλων συστημάτων εξωπλανητών. Και πιστεύουμε ότι μπορούν.
Οι δίσκοι που σχηματίζουν πλανήτες γύρω από άλλα αστέρια είναι πανταχού παρόντες, με ένα φάσμα διαφορετικών ιδιοτήτων, αλλά οι πλανητικοί δακτύλιοι θα πρέπει να σχηματίζονται συστηματικά. Οι κοντινοί πλανήτες υπερ-Γης ή υπο-Ποσειδώνας, που βρίσκονται περίπου το 30 τοις εκατό όλων των άστρων μπορεί να σχηματίζονται από πλανητομικρά μέσα σε εσωτερικούς ή μεσαίους δακτυλίους. Εάν οι πλανήτες φτάσουν στο μέγεθος του Άρη, περίπου το 10 τοις εκατό της μάζας της Γης, πριν εξαφανιστεί το αέριο από τον δίσκο, κάτι που μπορεί να διαρκέσει μερικά εκατομμύρια χρόνια, τότε εκτοξεύουν σπειροειδή κύματα πυκνότητας. Αυτά προκαλούν τις τροχιές των πλανητών να συρρικνωθούν ή να μεταναστεύσουν προς το κεντρικό αστέρι, ένα αποτέλεσμα που πιθανότατα απέφυγε το ηλιακό μας σύστημα επειδή οι βραχώδεις πλανήτες μας μεγάλωσαν πολύ αργά. Οι αέριοι γίγαντες πλανήτες θα έπρεπε φυσικά να σχηματίζονται από τους μεσαίους δακτυλίους και, πράγματι, οι περισσότεροι γιγάντιοι εξωπλανήτες βρίσκονται σε τροχιές ευρύτερες από τις υπερ-Γαίες, αλλά ακόμα πιο κοντά στην τροχιά της Γης από αυτή του Δία (ίσως λόγω ενός μέτριου βαθμού μετανάστευσης).
Ο Μούλτον, ένας από τους υποστηρικτές της παλιάς υπόθεσης του πλανητοειδούς, τόνισε κάποτε πόσο διαφορετική ήταν αυτή η ιδέα από τον σκονισμένο δίσκο που είχε ο Laplace. «Το χάσμα», έγραψε σε ένα τεύχος του 1928 του Science , «μεταξύ αυτών των διαφορετικών γενών πνευματικών κατασκευών είναι τόσο βαθύ όσο αυτό μεταξύ διαφορετικών γενών ζωντανών οργανισμών και τόσο δύσκολο να γεφυρωθεί». Έκανε, όπως μπορεί να μαντέψεις, αρκετά λάθος σε αυτό. Το μοντέλο μας με τρεις δακτυλίους γεφυρώνει ή συνθέτει αυτές τις ιδέες, μαζί με πολλές άλλες, για να φτιάξει αυτό που ο Moulton —με την αναλογία του με τη ζωή— θα μπορούσε να αποκαλούσε περίπλοκη χίμαιρα. Ένα Φρανκενστάιν τέρας μοντέλου. Εφόσον είναι χρήσιμο, αυτό είναι εντάξει με εμάς.
Ο Sean Raymond είναι ένας Αμερικανός αστροφυσικός που εργάζεται στο Αστροφυσικό Εργαστήριο του Μπορντό στη Γαλλία. Γράφει επίσης ένα ιστολόγιο στη διεπαφή επιστημονικής και φαντασίας (planetplanet.net) και πρόσφατα δημοσίευσε ένα βιβλίο με ποιήματα αστρονομίας.
Ο Andre Izidoro είναι μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Τμήμα Γης, Περιβαλλοντικής και Πλανητικής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο Rice.
Ο Rajdeep Dasgupta είναι κοσμοχημικός στο Τμήμα Γης, Περιβαλλοντικής και Πλανητικής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο Rice. Είναι επικεφαλής της Ομάδας Πειραματικής Πετρολογίας και του έργου CLEVER-Planets.
Κύρια εικόνα:Το τηλεσκόπιο ALMA, στη Χιλή, ευαίσθητο στη σκόνη μεγέθους χιλιοστού, τράβηξε αυτές τις εικόνες δίσκων που σχηματίζουν πλανήτες. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
