Uranov nagib u osnovi ima planet koji kruži oko Sunca na svojoj strani, os njegovog spina gotovo je usmjerena prema Suncu.
(Slika: © NASA i Erich Karkoschka, država Arizona)
Iako planete okružuju zvijezde u galaksiji, njihov oblik ostaje predmet rasprave. Unatoč bogatstvu svjetova u našem solarnom sustavu, znanstvenici još uvijek nisu sigurni kako planete grade. Trenutno se za ulogu prvaka postavljaju dvije teorije.
Prva i najčešće prihvaćena jezgrana akumulacija dobro djeluje s formiranjem zemaljskih planeta, ali ima problema s velikim planetima poput Urana. Druga, metoda nestabilnosti diska, možda je potrebna za stvaranje ogromnih planeta.
"Ono što razdvaja ledene divove od plinskih divova jest njihova povijest nastanka: tijekom rasta jezgre, prvi nikada nije premašio [kritičnu masu] u punom plinskom disku", napisali su istraživači Renata Frelikh i Ruth Murray-Clay u istraživačkom radu.
Model jezgre prikupljanja
Prije otprilike 4,6 milijardi godina, Sunčev sustav bio je oblak prašine i plina poznat i kao solarna maglica. Gravitacija je urušila materijal u sebe dok se počela okretati, tvoreći sunce u središtu maglice.
S izlaskom sunca preostali materijal počeo se skupljati. Male čestice sastavile su se, vezane silom gravitacije, u veće čestice. Sunčev je vjetar istisnuo svjetlije elemente, poput vodika i helija, iz bližih područja, ostavljajući samo teške, kamenite materijale za stvaranje zemaljskih svjetova. Ali što dalje, solarni su vjetrovi imali manje utjecaja na svjetlije elemente, omogućujući im da se spoje u plinske divove kao što je Uran. Na taj su način stvoreni asteroidi, kometi, planeti i mjeseci.
Za razliku od većine plinskih divova, Uran ima jezgro koja je stjenovita, a ne plinovita. Jezgra se najvjerojatnije formirala prvo, a zatim su sakupljali vodik, helij i metan koji čine atmosferu planeta. Toplina iz jezgre utječe na temperaturu i vrijeme Urana, nadjačavajući toplinu koja dolazi iz dalekog sunca, udaljenog gotovo 2 milijarde milja.
Čini se da neka egzoplanetna opažanja potvrđuju prirast jezgre kao dominantan proces formacije. Zvijezde s više "metala" - što astronomi koriste za druge elemente osim vodika i helija - u svojim jezgrama imaju više planeta divova nego rođaci siromašni metalima. Prema NASA-i, nakupljanje jezgara sugerira da bi mali, stjenoviti svjetovi trebali biti češći od masivnijih plinskih divova.
Otkriće divovskog planeta iz 2005. godine s masivnom jezgrom u orbiti oko zvijezde slične suncu HD 149026 primjer je egzoplanete koja je pomogla ojačati slučaj akumulacije jezgre.
"Ovo je potvrda temeljne teorije akresije za formiranje planeta i dokaz da bi takvi planeti trebali postojati u izobilju", rekao je Greg Henry u priopćenju za javnost. Henry, astronom sa Državnog sveučilišta Tennessee, Nashville, otkrio je zatamnjenje zvijezde.
U 2017. Europska svemirska agencija planira izbaciti karakterizacijski ExOPlanet satelit (CHEOPS), koji će proučavati egzoplanete u veličinama od super-Zemlje do Neptuna. Proučavanje tih dalekih svjetova moglo bi vam pomoći da utvrdite kako su se planete u Sunčevom sustavu formirale.
"U osnovnom scenariju akcesije jezgra planete mora dostići kritičnu masu prije nego što bude u stanju izlučivati plin na bežavni način", rekao je tim CHEOPS. "Ta kritična masa ovisi o mnogim fizičkim varijablama, među kojima je najvažnija brzina akumulacije planetesimala."
Proučavajući kako rastuće planete prikupljaju materijal, CHEOPS će pružiti uvid u to kako rastu svjetovi.
Model nestabilnosti diska
Ali potreba brze formacije za divovske plinske planete jedan je od problema jezgre. Prema modelima, proces traje nekoliko milijuna godina, duže nego što su svjetlosni plinovi bili dostupni u ranom Sunčevom sustavu. U isto vrijeme, model jezgre akcesije suočen je s problemom migracije, jer će se dječje planete vjerojatno spiralno izvesti na sunce za kratko vrijeme.
"Divovske planete formiraju se vrlo brzo, za nekoliko milijuna godina", izjavio je za Space.com Kevin Walsh, istraživač iz jugozapadnog istraživačkog instituta u Boulderu, Colorado. "To stvara vremensko ograničenje jer plinski disk oko sunca traje samo 4 do 5 milijuna godina."
Prema relativno novoj teoriji, nestabilnost diska, nakupine prašine i plinova povezane su zajedno u ranom životu Sunčevog sustava. S vremenom se ti grozdovi polako zbijaju u divovski planet. Te se planete mogu formirati brže od svojih suparnika u akrecijskim jezicima, ponekad i za samo tisuću godina, omogućujući im da se uhvate u koštac sa brzinama koje nestaju brzo. Oni također brzo dosežu masu koja se stabilizuje u orbiti, što ih sprečava da marširaju na suncu.
Dok znanstvenici nastavljaju proučavati planete unutar Sunčevog sustava, kao i oko drugih zvijezda, oni će bolje razumjeti kako su nastali Uran i njegova braća i sestre.
Šljunčana akumulacija
Najveći izazov jezgrovitoj akumulaciji je vrijeme - izgradnja ogromnih plinskih divova dovoljno brzo da iskoriste lakše sastojke svoje atmosfere. Nedavna istraživanja o tome kako se manji predmeti veličine šljunka spajaju zajedno kako bi stvorili divovske planete i do 1000 puta brže od ranijih studija.
"Ovo je prvi model za koji znamo o tome da započinjete s prilično jednostavnom strukturom za solarnu maglu iz koje se stvaraju planeti, a završavate sa sustavom ogromnih planeta koji vidimo", glavni autor studije Harold Levison, astronom na istraživačkom institutu Southwest (SwRI) u Koloradu, rekao je za Space.com 2015. godine.
Godine 2012., istraživači Michiel Lambrechts i Anders Johansen sa Sveučilišta Lund u Švedskoj predložili su da maleni šljunak, jednom otpisan, bude ključ za brzu izgradnju ogromnih planeta.
"Pokazali su da bi ostaci kamenčića iz ovog procesa formiranja, za koji se prethodno smatralo da nisu važni, zapravo mogli predstavljati golemo rješenje problema formiranja planeta", rekao je Levison.
Levison i njegov tim izgradili su se na tom istraživanju kako bi preciznije modelirali kako sitni šljunak može oblikovati planete koje se danas vide u galaksiji. Dok su u prijašnjim simulacijama obje velike i srednje veličine konzumirale svoje rođake šljunčane veličine relativno konstantnom brzinom, Levisonove simulacije sugeriraju da su veći predmeti djelovali više poput nasilnika, otimajući šljunak srednje mase kako bi rasli daleko brže stopa.
"Veći predmeti sada imaju tendenciju da se manji rasprše, a manji ih razbacaju natrag, tako da manji završavaju raštrkani iz šljunčanog diska", rekla je za Space.com suautorica studije Katherine Kretke, također iz SwRI-a. , "Veći momak u osnovi maltretira manji, tako da i sami mogu pojesti sve šljunak, a oni mogu nastaviti rasti u obliku jezgara divovskih planeta."
Šljunčana akceracija vjerovatnije će djelovati na planete divova nego zemaljski svjetovi. Prema Seanu Raymondu sa francuskog Sveučilišta u Bordeauxu, to je zato što su "šljunak" malo veći i puno ih je lakše držati se ispod snježne linije, zamišljene linije gdje je plin dovoljno hladan da postane led.
"Što se tiče šljunka, definitivno je malo bolje biti upravo pokraj snježne linije", rekao je Raymond za Space.com.
Iako šljunčana usjek dobro djeluje na plinske divove, za ledene divove postoje i neki izazovi. To je zato što čestice veličine milimetra do centimetra djeluju izuzetno učinkovito.
"Oni se akreditiraju tako brzo da je teško da jezgre divovskih jezgara postoje približno na trenutnoj masi jezgre tokom značajnog dijela životnog vijeka diska, istovremeno prikupljajući plinsku ovojnicu", napisali su Frelikh i Murray-Clay.
"Da bi izbjegli bježanje, oni moraju stoga dovršiti svoj rast u određeno vrijeme, kada je plinski disk djelomično, ali ne u potpunosti, potrošen."
Par je predložio da se većina akumulacija plina na jezgrama Urana i Neptuna podudara s njihovim odmakom od sunca. Ali što bi ih moglo natjerati da promijene svoj dom u Sunčevom sustavu?
Lijep model
Znanstvenici su prvobitno smatrali da se planeti formiraju u onom dijelu Sunčevog sustava u kojem danas žive. Otkriće egzoplaneta uzdrmalo je stvari otkrivši da bi barem neki najmasovniji predmeti mogli migrirati.
2005. godine trio radova objavljenih u časopisu Nature predložio je da se Uran i ostali divovski planeti vežu u gotovo kružnim orbitama mnogo kompaktnije nego danas. Veliki disk stijena i bokova okruživao ih je, protežući se na oko 35 puta udaljenosti Zemlje-sunca, odmah izvan sadašnje orbite Neptuna. Nazvali su to modelom Nice, po gradu u Francuskoj, gdje su ga prvi put raspravljali. (To se izgovara Neese.)
Kako su planeti komunicirali s manjim tijelima, raštrkali su ih većina prema suncu. Proces ih je natjerao da trguju energijom s predmetima, šaljući Saturn, Neptun i Uran dalje u Sunčev sustav. Na kraju su mali predmeti stigli do Jupitera, koji ih je poslao kako lete do ruba Sunčevog sustava ili potpuno iz njega.
Kretanje između Jupitera i Saturna dovelo je Uran i Neptun u još ekscentričnije orbite, šaljući par kroz preostali disk s lekovima. Dio materijala bačen je prema unutra, gdje se srušio na zemaljske planete tijekom Kasnog teškog bombardiranja. Ostali materijal bačen je prema van, stvarajući Kuiperov pojas.
Dok su se polako kretali prema van, Neptun i Uran trgovali su mjestima. Naposljetku, interakcije s preostalim krhotinama uzrokovale su da se par smjesti u kružnije staze dok dosegnu svoju trenutnu udaljenost od sunca.
Uz put je moguće da su jedan ili čak dva druga velika planeta izbačena iz sustava. Astronom David Nesvorny sa Instituta za istraživanje jugozapada u Koloradu modelirao je rani Sunčev sustav u potrazi za tragovima koji bi mogli dovesti do razumijevanja njegove rane povijesti.
"U ranim je vremenima Sunčev sustav bio vrlo različit, s mnogo više planeta, možda toliko masivnim kao što je Neptun, formirajući se i raspršeni na različita mjesta", rekao je Nesvorny za Space.com.
Opasna mladost
Rani Sunčev sustav bio je vrijeme nasilnih sudara i Uran nije bio izuzet. I dok površina Mjeseca i Merkura pokazuju dokaze o bombardiranju manjih stijena i asteroida, Uran je očito pretrpio značajan sudar sa protoplanetom veličine Zemlje. Kao rezultat toga, Uran je prekriven na boku, s jednim polovom koji je pola godine bio usmjeren prema suncu.
Uran je najveći od ledenih divova, možda dijelom i zbog toga što je tijekom udara izgubio dio svoje mase.
