Kreditna slika: NASA
Ako su vanzemaljski astronomi oko udaljene zvijezde proučavali mlado Sunce prije četiri i pol milijarde godina, jesu li mogli vidjeti znakove novostvorene Zemlje kako kruži oko ove bezazlene žute zvijezde? Odgovor je potvrdan, navode Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) i Benjamin Bromley (Sveučilište u Utahu). Štoviše, njihov računalni model kaže da možemo koristiti iste znakove kako bismo pronašli mjesta na kojima planete veličine Zemlje trenutno oblikuju - mlade svjetove koji jednog dana mogu ugostiti svoj život.
Ključ za pronalaženje novorođenih Zemlji, recimo Kenyon i Bromley, nije u potrazi za samim planetom, već za prstenom prašine koji kruži oko zvijezde i koji je otisak prstiju zemaljske (stjenovite) planete.
"Velike su šanse da ako postoji prsten prašine, postoji planeta", kaže Kenyon.
Dobre planete je teško pronaći
Naš sunčev sustav formiran je od vrtlog diska plina i prašine, koji se naziva protoplanetarni disk, koji orbitira oko mladog Sunca. Isti materijal nalazimo u cijeloj našoj galaksiji, pa zakoni fizike predviđaju da će i drugi zvjezdani sustavi formirati planete na sličan način.
Iako su planeti možda uobičajeni, teško ih je otkriti jer su previše onesviješteni i nalaze se preblizu mnogo svjetlijoj zvijezdi. Stoga astronomi traže planete tražeći neizravne dokaze svog postojanja. U mladim planetarnim sustavima, ti dokazi mogu biti prisutni na samom disku i kako planet utječe na prašnjavi disk iz kojeg se formira.
Veliki planeti veličine Jupitera posjeduju snažnu gravitaciju. Ta gravitacija snažno utječe na prašnjavi disk. Jedan Jupiter može očistiti razmak u obliku prstena na disku, prevrnuti disk ili stvoriti koncentrirane prašine koje ostavljaju uzorak na disku poput valova s čamca. Prisutnost divovskog planeta može objasniti budni uzorak viđen na disku oko 350 milijuna godina stare zvijezde Vege.
S druge strane, mali svjetovi veličine Zemlje imaju slabiju gravitaciju. Oni utječu na disk slabije, ostavljajući suptilnije znakove njihove prisutnosti. Umjesto da traže osnove ili budnosti, Kenyon i Bromley preporučuju da pogledaju kako je sjajan zvijezdani sustav na infracrvenom (IC) valnom duljini svjetlosti. (Infracrvena svjetlost, koju doživljavamo kao toplinu, je svjetlost s većom valnom duljinom i manje energije od vidljive svjetlosti.)
Zvijezde s prašnjavim diskovima su svijetlije u IR-u od zvijezda bez diskova. Što više prašine drži sustav zvijezda, on je svjetliji u IR-u. Kenyon i Bromley pokazali su da astronomi mogu upotrebljavati IR svjetline ne samo za otkrivanje diska, već i za otkrivanje planeta veličine Zemlje unutar tog diska.
"Bili smo prvi koji su izračunali očekivane razine proizvodnje prašine i pridruženih viškova infracrvenog zračenja, i prvi koji su pokazali da zemaljsko oblikovanje planeta stvara vidljive količine prašine", kaže Bromley.
Izgradnja planeta iz temelja
Najpopularnija teorija formiranja planeta zahtijeva izgradnju planeta "od temelja". Prema teoriji koagulacije, mali komadi kamenitog materijala u protoplanetarnom disku sudaraju se i lijepe. Kroz tisuće godina mali grozdovi prerastaju u sve veće i veće, poput gradnje snjegovića jedan po jedan snijega. Na kraju, stjenovite nakupine postaju toliko velike da postaju punopravni planeti.
Kenyon i Bromley modeliraju proces formiranja planeta pomoću složenog računalnog programa. Oni "sjeme" protoplanetarni disk s milijardu planeteimala (1 kilometar) veličine, kružeći oko središnje zvijezde, i zakorače sustav naprijed kako bi vidjeli kako se planeti razvijaju od tih osnovnih sastojaka.
"Mi smo simulaciju učinili što realnijom i još uvijek dovršavamo proračune u razumnom roku", kaže Bromley.
Otkrili su da je proces formiranja planeta nevjerojatno učinkovit. U početku se sudari između planetesimala događaju malim brzinama, pa se sudarački objekti teže spajanju i rastu. Na uobičajenoj udaljenosti od Zemlje i Sunca, potrebno je samo oko 1000 godina da objekti od 1 kilometar prerastu u objekte dužine 100 kilometara. Sljedećih 10.000 godina proizvode se protoplaneti promjera 600 milja, koji rastu tijekom dodatnih 10.000 godina i postaju protoplaneti promjera 1200 milja. Dakle, predmeti veličine Mjeseca mogu se oblikovati za samo 20.000 godina.
Kako se planetesimals unutar diska povećavaju i masivniji, tako i njihova gravitacija postaje jača. Nakon što neki od objekata dosegnu veličinu od 600 milja, počinju "miješati" preostale manje predmete. Gravitacijski pragovi prikazuju manje komade stijena veličine asteroida na veće i veće brzine. Oni putuju tako brzo da se prilikom sudara ne stapaju - već praše i nasilno se razbijaju. Dok najveći protoplaneti i dalje rastu, ostatak stjenovitih planetesimala međusobno se melje u prah.
"Prašina se formira tamo gdje se planet formira, na istoj udaljenosti od svoje zvijezde", kaže Kenyon. Kao rezultat toga, temperatura prašine ukazuje na to gdje se planet formira. Prašina u orbiti poput Venere bit će toplija od prašine u zemljinoj orbiti, što će dati trag udaljenosti dojenčevog planeta od njegove zvijezde.
Veličina najvećih predmeta na disku određuje brzinu stvaranja prašine. Količina prašine dosegne vrhunac kada su se formirali protoplaneti udaljeni 600 milja.
„Svemirski teleskop Spitzer trebao bi biti u stanju otkriti takve vrhove prašine“, kaže Bromley.
Trenutno, Kenijev i Bromleyev zemaljski model formiranja planeta pokriva samo djelić Sunčevog sustava, od orbite Venere do udaljenosti na pola puta između Zemlje i Marsa. U budućnosti planiraju proširiti model tako da obuhvaćaju orbite što bliže Suncu koliko i Merkur i tako udaljene kao Mars.
Oni su također modelirali formiranje Kuiperovog pojasa - regije malih, ledenih i kamenitih predmeta izvan orbite Neptuna. Sljedeći je logični korak modeliranje formiranja plinskih divova poput Jupitera i Saturna.
"Počinjemo od ruba Sunčevog sustava i radimo prema unutra", kaže Kenyon sa smiješkom. "Također radimo u masi. Zemlja je 1000 puta masivnija od objekta Kuiperovog pojasa, a Jupiter je 1000 puta masivniji od Zemlje. "
"Naš krajnji cilj je modelirati i razumjeti formiranje cijelog našeg Sunčevog sustava." Kenyon procjenjuje da je njihov cilj dostižan u roku od deset godina, jer se brzina računala nastavlja povećavati, omogućavajući simulaciju cijelog Sunčevog sustava.
Ovo je istraživanje objavljeno u 20. veljače 2004., u broju časopisa Astrofizički časopis Letters. Dodatne informacije i animacije dostupne su na mreži na http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Sa sjedištem u Cambridgeu, Massachusetts, Harvard-Smithsonian Centar za astrofiziku zajednička je suradnja između Smithsonian Astrophysical Observatory i Harvard College Observatory. Znanstvenici iz CfA, organizirani u šest istraživačkih odjela, proučavaju podrijetlo, evoluciju i konačnu sudbinu svemira.
Izvorni izvor: CfA News Release
