Uraanin kallistumisessa planeetta kiertää aurinkoa sivullaan, sen spin-akseli osoittaa melkein aurinkoa.
(Kuva: © NASA ja Erich Karkoschka, Yhdysvallat, Arizonasta)
Vaikka planeetat ympäröivät tähdet galaksissa, niiden muodostumisesta on edelleen keskustelun aihe. Huolimatta omien aurinkokuntiemme maailmojen runsaudesta, tutkijat eivät vieläkään ole varmoja siitä, kuinka planeettoja rakennetaan. Tällä hetkellä kaksi teoriaa tukee sitä mestarin rooliksi.
Ensimmäinen ja laajimmin hyväksytty ydinosaaminen toimii hyvin maanpäällisten planeettojen muodostumisen yhteydessä, mutta sillä on ongelmia jättiläisten planeettojen kuten Uranuksen kanssa. Toinen, levyn epävakauden menetelmä, saattaa ottaa huomioon jättiläisten planeettojen luomisen.
"Se, mikä erottaa jään jättiläiset kaasu jättiläisistä, on niiden muodostumishistoria: ytimen kasvun aikana entinen ei koskaan ylittänyt [kriittistä massaa] täydessä kaasulevyssä", kirjoittivat tutkijat Renata Frelikh ja Ruth Murray-Clay tutkimuspaperissa.
Keskeinen lisäysmalli
Noin 4,6 miljardia vuotta sitten aurinkokunta oli pöly- ja kaasupilvi, joka tunnetaan nimellä aurinkosumu. Painovoima romahti materiaalin itsessään, kun se alkoi pyöriä, muodostaen aurinkoa sumun keskelle.
Auringon noustessa jäljellä oleva materiaali alkoi kasaantua yhteen. Pienet hiukkaset veivät yhteen, painovoiman sitoessa, suuremmiksi hiukkasiksi. Auringon tuuli pyyhkäisi kevyemmät elementit, kuten vedyn ja heliumin, lähempiltä alueilta, jättäen vain raskaita, kivisiä materiaaleja luomaan maanpäällisiä maailmoja. Mutta kauempana, aurinkotuulet vaikuttivat vähemmän kevyempiin elementteihin, jolloin ne pystyivät yhdistymään kaasu jättiläisiin, kuten Uranukseen. Tällä tavalla luotiin asteroideja, komeettoja, planeettoja ja kuita.
Toisin kuin useimmat kaasu jättiläiset, Uranuksella on ydin, joka on kivinen eikä kaasumainen. Ydin todennäköisesti muodostui ensin, ja sitten kerättiin vety, helium ja metaani, jotka muodostavat planeetan ilmakehän. Ytimen lämpö ohjaa Uranuksen lämpötilaa ja säätä, ylittäen kaukana olevasta auringosta tulevan lämmön, joka on lähes 2 miljardia mailia.
Jotkut eksoplaneetan havainnot näyttävät vahvistavan ytimen lisääntymisen hallitsevana muodostusprosessina. Tähteillä, joissa on enemmän "metalleja" - termiä, jota tähtitieteilijät käyttävät muihin alkuaineisiin kuin vetyyn ja heliumiin - sydämessään on enemmän jättiläisiä planeettoja kuin heidän metallivaje serkkunsa. NASA: n mukaan ydinratkaisu viittaa siihen, että pienten, kivisten maailmojen tulisi olla yleisempiä kuin massiivisemmat kaasujättiläiset.
Vuoden 2005 löytö jättiläisestä planeetasta, jolla on massiivinen ydin, joka kiertää auringonmuotoista tähteä HD 149026, on esimerkki eksoplaneetasta, joka auttoi vahvistamaan tapaa ytimen lisääntymiselle.
"Tämä on vahvistus planeettojen muodostumisen ydinteoriointiteorialle ja todiste siitä, että tällaisia planeettoja tulisi olemassa runsaasti", sanoi Greg Henry lehdistötiedotteessa. Nashvillen Tennessee State Universityn tähtitieteilijä Henry havaitsi tähden himmennyksen.
Euroopan avaruusjärjestö aikoo vuonna 2017 käynnistää karakterisoivan ExOPlanet-satelliitin (CHEOPS), joka tutkii eksoplaneettoja, joiden koko vaihtelee supermaapallosta Neptunukseen. Näiden kaukaisten maailmojen tutkiminen voi auttaa määrittämään kuinka aurinkojärjestelmän planeetat muodostuivat.
"Ydinsisäistystilanteessa planeetan ytimen on saavutettava kriittinen massa ennen kuin se pystyy kuluttamaan kaasua karkaavalla tavalla", sanoi CHEOPS-ryhmä. "Tämä kriittinen massa riippuu monista fysikaalisista muuttujista, joista tärkeimpiä on tasonsimmaalien lisääntymisnopeus."
Tutkimalla kuinka kasvavien planeettojen materiaali kerääntyy, CHEOPS antaa käsityksen maailmojen kasvamisesta.
Levyn epävakauden malli
Mutta tarve nopealle muodostumiselle jättiläisille kaasuplaneetoille on yksi ytimen lisääntymisen ongelmista. Mallien mukaan prosessi kestää useita miljoonia vuosia, pidempään kuin kevytkaasut olivat saatavilla varhaisessa aurinkojärjestelmässä. Samanaikaisesti ydinmuodostumismalli kohtaa muuttoliikettä, koska vauvaplaneetit todennäköisesti spiraalistuvat aurinkoon lyhyessä ajassa.
"Jättiläiset planeetat muodostuvat todella nopeasti muutamassa miljoonassa vuodessa", Keolo Walsh, Lounais-tutkimusinstituutin tutkija Boulderissa, Coloradossa, kertoi Space.com: lle. "Tämä luo aikarajan, koska aurinkoa ympäröivä kaasulevy kestää vain 4-5 miljoonaa vuotta."
Suhteellisen uuden teorian mukaan levyn epävakaus, pöly- ja kaasukerrat ovat sitoutuneet toisiinsa aurinkojärjestelmän varhaisessa vaiheessa. Ajan myötä nämä ryhmittyvät hitaasti jättiläisplaneetioksi. Nämä planeetat voivat muodostaa nopeammin kuin niiden ylimääräiset kilpailijat, toisinaan jopa tuhannessa vuodessa, jolloin ne voivat tarttua nopeasti häviäviin kevyempiin kaasuihin. Ne saavuttavat myös nopeasti kiertorataa vakauttavan massan, joka estää heitä kuolemasta marssamasta aurinkoon.
Kun tutkijat jatkavat aurinkokunnan sisäpuolella olevien planeettojen tutkimista, samoin kuin muiden tähtien ympärillä, he ymmärtävät paremmin, kuinka Uranus ja sen sisarukset muodostuivat.
Kivi lisäys
Suurin haaste ytimen lisäämiselle on aika - massiivisten kaasujätteiden rakentaminen riittävän nopeaan, jotta ne tarttuisivat ilmakehänsä kevyempiin komponentteihin. Viimeaikaiset tutkimukset siitä, kuinka pienemmät, kivikokoiset esineet sulautuivat yhteen rakentamaan jättiläisiä planeettoja jopa 1000 kertaa nopeammin kuin aikaisemmat tutkimukset.
"Tämä on ensimmäinen malli, jonka tiedämme, että aloitat melko yksinkertaisella rakenteella auringonsumulle, josta planeetat muodostuvat, ja päädyt näkemään jättiläisten planeettojen järjestelmään", tutkimuksen pääkirjailija Harold Levison, tähtitieteilijä Coloradossa sijaitsevassa Southwest Research Institute: ssä (SwRI), kertoi Space.comille vuonna 2015.
Vuonna 2012 tutkijat Michiel Lambrechts ja Anders Johansen Ruotsin Lundin yliopistosta ehdottivat, että pienet pikkukiviä, jotka on purettu, pitäisivät avaimena nopeasti rakentavien jättiläisten planeettojen rakentamiseen.
"He osoittivat, että tästä muodostumisprosessista jäljellä olevat kivit, joiden aiemmin ajateltiin olevan merkityksettömiä, voisivat olla todella valtava ratkaisu planeetanmuodostusongelmaan", Levison sanoi.
Levison ja hänen tiiminsä kehittivät tutkimusta mallinntaakseen tarkemmin, kuinka pienet kivit voisivat muodostaa tänään galaksissa näkyviä planeettoja. Vaikka aiemmissa simulaatioissa sekä suuret että keskikokoiset esineet käyttivät pikkukokoisia serkkujaan suhteellisen vakiona, Levisonin simulaatiot viittaavat siihen, että suuret esineet toimivat enemmän kuin kiusaajia, sieppaten pois kiviä keskikokoisista massoista kasvaakseen huomattavasti nopeammin. korko.
"Suuremmilla esineillä on taipumus sirotella pienempiä enemmän kuin pienemmillä hajottaa ne takaisin, joten pienemmät päätyvät hajottumaan pois kivilevyltä", tutkimuksen avustaja Katherine Kretke, myös SwRI: ltä, kertoi Space.com: lle. . "Isompi kaveri kiusaa periaatteessa pienempää, jotta he voivat syödä kaikki kivit itse ja voivat kasvaa edelleen muodostaakseen jättiläisten planeettojen ytimen."
Pikkukivi lisääntyy todennäköisemmin jättiläinen planeetoille kuin maanpäälliset maailmat. Ranskan Bordeaux'n yliopiston Sean Raymondin mukaan tämä johtuu siitä, että "kivit" ovat hiukan suurempia ja paljon helpompia pitää kiinni lumilinjan ohitse, kuvitteellisessa linjassa, jossa kaasu on tarpeeksi kylmää tullakseen jääksi.
"Kiviille on ehdottomasti hiukan parempi olla vain lumilinjan ohi", Raymond kertoi Space.com: lle.
Vaikka pikkukivi lisääntyy hyvin kaasu jättiläisille, jääjäätiläisille on joitain haasteita. Tämä johtuu siitä, että millimetristä senttimetriin kokoiset hiukkaset ovat erityisen tehokkaita.
"Ne akrytoituvat niin nopeasti, että jään jättiläisten ytimien on vaikea olla olemassa noin nykyisellä ydinmassallaan huomattavan osan levyn elinaikasta akkuroimalla kaasuverhoa", Frelikh ja Murray-Clay kirjoittivat.
"Karkaamisen välttämiseksi niiden on siksi täydennettävä kasvuaan tiettyyn aikaan, kun kaasulevy on osittain, mutta ei kokonaan, loppu."
Pari ehdotti, että suurin osa kaasun lisääntymisestä Uraanin ja Neptunuksen ytimiin tapahtui niiden liikkuessa pois auringosta. Mutta mikä voisi saada heidät vaihtamaan kodinsa aurinkojärjestelmässä?
Mukava malli
Alun perin tutkijat ajattelivat, että planeetat muodostuivat samaan aurinkokunnan osaan, jossa he nykyään elävät. Eksoplaneettojen löytäminen järkytti asioita, paljastaen, että ainakin jotkut massiivisimmista esineistä saattoivat muuttaa.
Vuonna 2005 Nature-lehdessä julkaistut kolme asiakirjaa ehdottivat, että Uranus ja muut jättiläiset planeetat olisivat sidottuja ympyränmuotoisiin kiertoratoihin paljon kompaktimmiksi kuin nykyään. Niitä ympäröi suuri kivien ja jäiden levy, joka ulottui noin 35-kertaiseen maapallon ja auringon etäisyyteen, Neptunuksen nykyisen kiertoradan ulkopuolelle. He kutsuivat tätä Nizzan malliksi sen Ranskan kaupungin jälkeen, jossa he keskustelivat siitä. (Se lausutaan Neese.)
Kun planeetat olivat vuorovaikutuksessa pienempien kappaleiden kanssa, ne hajottivat suurimman osan niistä aurinkoa kohti. Prosessi sai heidät vaihtamaan energiaa esineiden kanssa, lähettäen Saturnuksen, Neptunuksen ja Uraanin kauemmas aurinkokuntaan. Lopulta pienet esineet saavuttivat Jupiterin, joka lähetti heidät lentämään aurinkokunnan reunaan tai kokonaan pois siitä.
Siirtyminen Jupiterin ja Saturnuksen välillä ajoi Uranuksen ja Neptunuksen entistä epäkeskeisimmille kiertoradalle lähettämällä parin jäljellä olevan jäätelön levyn läpi. Osa materiaalista heitettiin sisäänpäin, missä se kaatui maanpäällisille planeetoille myöhäisen raskaan pommituksen aikana. Muu materiaali heitettiin ulospäin, jolloin syntyi Kuiper-vyö.
Kun he siirtyivät hitaasti ulospäin, Neptunus ja Uranus vaihtoivat paikkoja. Lopulta vuorovaikutus jäljellä olevien roskien kanssa sai parin asettumaan ympyrämäisemmille poluille saavuttaessaan nykyisen etäisyytensä auringosta.
Matkan varrella on mahdollista, että yksi tai jopa kaksi muuta jättiläistä planeettaa potkuttiin ulos järjestelmästä. Coloradon lounaisen tutkimusinstituutin tähtitieteilijä David Nesvorny on mallinnut varhaisen aurinkokunnan etsimällä vihjeitä, jotka voisivat johtaa sen varhaisen historian ymmärtämiseen.
"Alkuaikoina aurinkokunta oli hyvin erilainen, ja siinä oli paljon enemmän planeettoja, ehkä yhtä massiivisia kuin Neptunus, jotka muodostuivat ja olivat hajallaan eri paikkoihin", Nesvorny kertoi Space.com: lle.
Vaarallinen nuori
Varhainen aurinkokunta oli väkivaltaisten törmäysten aika, eikä Uranus ollut vapautettu siitä. Vaikka sekä kuun pinta että elohopea osoittavat pienempien kivien ja asteroidien pommittavan, Uranus kärsi ilmeisesti merkittävästä törmäyksestä maapallon protoplaneetan kanssa. Seurauksena on, että Uranus on kaatunut kyljelleen yhden navan osoittaen kohti aurinkoa puolen vuoden ajan.
Uranus on suurin jään jättiläisistä, ehkä osittain siksi, että se menetti osan massastaan iskun aikana.
