Înclinarea lui Uranus are, în esență, planeta orbitând Soarele pe partea sa, axa spinului ei fiind aproape îndreptată spre Soare.
(Imagine: © NASA și Erich Karkoschka, U. Arizona)
Deși planetele înconjoară stele din galaxie, modul în care acestea se formează rămâne un subiect de dezbatere. În ciuda bogăției lumilor din propriul nostru sistem solar, oamenii de știință încă nu sunt siguri cum sunt construite planetele. În prezent, două teorii o evidențiază pentru rolul de campion.
Prima și cea mai larg acceptată acreție de bază funcționează bine cu formarea planetelor terestre, dar are probleme cu planetele gigant, precum Uranus. A doua, metoda de instabilitate a discului, poate reprezenta crearea planetelor gigantice.
"Ceea ce separă giganții de gheață de giganții gazului este istoricul formării lor: în timpul creșterii nucleului, primii nu au depășit niciodată [masa critică] într-un disc complet de gaz", au scris cercetătorii Renata Frelikh și Ruth Murray-Clay într-o lucrare de cercetare.
Modelul principal al acreției
În urmă cu aproximativ 4,6 miliarde de ani, sistemul solar era un nor de praf și gaz cunoscut sub numele de nebuloasă solară. Gravitatea a prăbușit materialul pe sine în timp ce a început să se rotească, formând soarele în centrul nebuloasei.
Odată cu răsăritul soarelui, materialul rămas a început să se aglomereze. Particule mici s-au reunit, legate prin forța gravitației, în particule mai mari. Vântul solar a măturat elemente mai ușoare, cum ar fi hidrogenul și heliul, din regiunile mai apropiate, lăsând doar materiale grele și stâncoase pentru a crea lumi terestre. Dar mai departe, vânturile solare au avut un impact mai mic asupra elementelor mai ușoare, permițându-le să se coaguleze în giganți de gaz, cum ar fi Uranus. În acest fel, au fost create asteroizi, comete, planete și lună.
Spre deosebire de majoritatea gigantilor de gaze, Uranus are un nucleu care este mai stâncos decât gazos. Nucleul s-a format probabil mai întâi și apoi a adunat hidrogenul, heliul și metanul care alcătuiesc atmosfera planetei. Căldura din miez determină temperatura și vremea lui Uranus, supraviețuind căldura provenită de la soarele îndepărtat, care se află la aproape 2 miliarde de mile distanță.
Unele observații exoplanetice par să confirme acreția de bază ca fiind procesul de formare dominantă. Stelele cu mai multe „metale” - un termen astronomii folosesc pentru alte elemente decât hidrogenul și heliul - în miezurile lor au mai multe planete gigant decât verii lor săraci din metal. Conform NASA, acreția de bază sugerează că lumile mici și stâncoase ar trebui să fie mai frecvente decât giganții mai masivi.
Descoperirea din 2005 a unei planete uriașe cu un nucleu masiv care orbitează steaua asemănătoare soarelui HD 149026 este un exemplu de exoplanet care a contribuit la întărirea cazului pentru acreția de bază.
"Aceasta este o confirmare a teoriei de bază a acreției pentru formarea planetei și dovezi că planetele de acest fel ar trebui să existe din abundență", a spus Greg Henry într-un comunicat de presă. Henry, astronom la Universitatea de Stat din Tennessee, Nashville, a detectat întunecarea stelei.
În 2017, Agenția Spațială Europeană intenționează să lanseze caracterizarea satelitului ExOPlanet (CHEOPS), care va studia exoplanetele cu dimensiuni de la super-Pământuri până la Neptun. Studierea acestor lumi îndepărtate poate ajuta la determinarea modului în care s-au format planetele din sistemul solar.
"În scenariul principal de acumulare, nucleul unei planete trebuie să ajungă la o masă critică înainte ca acesta să poată acreta gazul într-o manieră scăpată", a declarat echipa CHEOPS. „Această masă critică depinde de multe variabile fizice, dintre care cea mai importantă este rata de acreție a planeteimalelor”.
Studiind modul în care planetele în creștere acreau materiale, CHEOPS va oferi o perspectivă asupra modului în care lumile cresc.
Modelul de instabilitate a discului
Însă necesitatea unei formări rapide pentru planetele gigant de gaz este una dintre problemele de acumulare de bază. Conform modelelor, procesul durează câteva milioane de ani, mai mult decât au fost disponibile gazele ușoare în sistemul solar timpuriu. În același timp, modelul principal de acreție se confruntă cu o problemă de migrație, întrucât planetele pentru bebeluși sunt susceptibile să spire în soare într-un timp scurt.
"Planetele uriașe se formează într-adevăr rapid, în câteva milioane de ani", a declarat pentru Space.com Kevin Walsh, cercetător la Southwest Research Institute din Boulder, Colorado. "Acest lucru creează o limită de timp, deoarece discul de gaz din jurul soarelui durează doar între 4 și 5 milioane de ani."
Conform unei teorii relativ noi, instabilitatea discului, grupurile de praf și gaze sunt legate împreună la începutul vieții sistemului solar. În timp, aceste aglomerații se compactează lent într-o planetă uriașă. Aceste planete pot forma mai repede decât rivalii lor de bază, uneori în doar o mie de ani, permițându-le să capteze gazele ușoare care se sting. De asemenea, ajung rapid la o masă de stabilizare a orbitei, care îi împiedică de marșarea morții în soare.
Pe măsură ce oamenii de știință continuă să studieze planetele din interiorul sistemului solar, precum și în jurul altor stele, vor înțelege mai bine cum s-au format Uranus și frații săi.
Acreție de pietricele
Cea mai mare provocare pentru acreția de bază este crearea timpului gigantii masivi de gaz suficient de rapid pentru a prinde componentele mai ușoare ale atmosferei lor. Cercetări recente despre modul în care obiectele de dimensiuni mai mici, cu pietricele, s-au contopit pentru a construi planete gigant de până la 1000 de ori mai rapid decât studiile anterioare.
"Acesta este primul model despre care știm despre faptul că pornești cu o structură destul de simplă pentru nebuloasa solară din care se formează planetele și sfârșești cu sistemul gigant-planetă pe care îl vedem", a declarat autorul principal Harold Levison, astronom la Institutul de Cercetări Southwest (SwRI) din Colorado, a declarat pentru Space.com în 2015.
În 2012, cercetătorii Michiel Lambrechts și Anders Johansen de la Universitatea Lund din Suedia au propus ca pietricele minuscule, odată scrise, să dețină cheia construirii rapide a planetelor gigantice.
„Au arătat că pietricelele rămase din acest proces de formare, care anterior se credea a fi lipsite de importanță, ar putea fi de fapt o soluție uriașă la problema formării planetei”, a spus Levison.
Levison și echipa sa s-au bazat pe această cercetare pentru a modela mai precis modul în care pietricelele minuscule ar putea forma planete văzute în galaxia de astăzi. În timp ce simulările anterioare, atât obiectele mari, cât și cele de dimensiuni medii și-au consumat verii de mărimea pietricelului într-un ritm relativ constant, simulările lui Levison sugerează că obiectele mai mari au acționat mai mult ca niște bătăuși, smulgând pietricele din masele de talie mijlocie pentru a crește într-un ritm mult mai rapid. rată.
"Obiectele mai mari tind acum să împrăștie mai mult pe cele mai mici decât cele mai mici, astfel încât cele mai mici ajung să fie împrăștiate de pe discul de pietricele", a declarat pentru Space.com co-autorul studiului Katherine Kretke, tot de la SwRI. . "Cel mai mare om înfierbântează practic cel mai mic, astfel încât să poată mânca singuri toate pietricelele și pot continua să crească pentru a forma miezurile planetelor uriașe."
Acreția de pietricele este mai probabil să funcționeze pentru planetele gigant decât lumile terestre. Potrivit lui Sean Raymond, de la Universitatea franceză din Bordeaux, asta se datorează faptului că „pietricele” sunt puțin mai mari și mult mai ușor de reținut pe linia de zăpadă, linia imaginară în care gazul este suficient de rece pentru a deveni gheață.
"Pentru pietricele, cu siguranță este puțin mai bine să fii doar trecut de linia de zăpadă", a declarat Raymond pentru Space.com.
În timp ce acreția de pietricele funcționează bine pentru uriașii gazului, există unele provocări pentru uriașii gheață. Acest lucru se datorează faptului că particulele de dimensiuni de la milimetru la centimetru se accentuează extrem de eficient.
"Se limitează atât de repede încât este dificil pentru nucleele gigantice de gheață să existe aproximativ masele lor nucleare actuale pentru o fracțiune semnificativă din durata de viață a discului în timp ce acumulează un plic de gaz", au scris Frelikh și Murray-Clay.
"Pentru a evita fugirea, prin urmare, ei trebuie să își finalizeze creșterea la un moment dat, când discul de gaz este parțial, dar nu în întregime, epuizat."
Perechea a propus ca cea mai mare parte a acumulării de gaze pe miezurile Uranus și Neptun să coincidă cu deplasarea lor departe de soare. Dar ce le-ar putea face să își schimbe casa în sistemul solar?
Un model frumos
Inițial, oamenii de știință au crezut că planetele s-au format în aceeași parte a sistemului solar în care trăiesc astăzi. Descoperirea exoplanetelor a zguduit lucrurile, dezvăluind că cel puțin unele dintre cele mai masive obiecte ar putea migra.
În 2005, un trio de lucrări publicate în revista Nature a propus ca Uranus și celelalte planete uriașe să fie legate pe orbitele aproape circulare mult mai compacte decât în prezent. Un disc mare de roci și gheață le-a înconjurat, întinzându-se la aproximativ 35 de ori distanța Pământ-Soare, chiar dincolo de orbita actuală a lui Neptun. Au numit acest model Nice, după orașul din Franța, unde au discutat pentru prima dată. (Asta se pronunță Neese.)
Pe măsură ce planetele au interacționat cu corpurile mai mici, s-au împrăștiat cele mai multe spre soare. Procesul i-a determinat pe aceștia să facă schimb de energie cu obiectele, trimițând Saturn, Neptun și Uranus mai departe în sistemul solar. În cele din urmă, obiectele mici au ajuns la Jupiter, care le-a trimis să zboare până la marginea sistemului solar sau complet în afara acestuia.
Mișcarea dintre Jupiter și Saturn a condus Uranus și Neptun pe orbite și mai excentrice, trimițând perechea prin discul rămas de icre. O parte din material a fost aruncat spre interior, unde s-a prăbușit în planetele terestre în timpul Bombardamentului Târziu. Un alt material a fost aruncat spre exterior, creând Centura Kuiper.
În timp ce se deplasau încet spre exterior, Neptun și Uranus făceau comerț cu locuri. În cele din urmă, interacțiunile cu resturile rămase au determinat perechea să se stabilească pe căi mai circulare, pe măsură ce atingeau distanța lor actuală de soare.
Pe parcurs, este posibil ca una sau chiar două alte planete uriașe să fie scoase din sistem. Astronomul David Nesvorny de la Southwest Research Institute din Colorado a modelat sistemul solar timpuriu în căutarea unor indicii care ar putea duce la înțelegerea istoriei sale timpurii.
"În primele zile, sistemul solar era foarte diferit, cu multe alte planete, poate la fel de masive ca Neptun, care se formau și erau împrăștiate în diferite locuri", a declarat Nesvorny pentru Space.com.
O tinerețe periculoasă
Sistemul solar timpuriu a fost o perioadă de coliziune violentă, iar Uranus nu a fost scutit. În timp ce suprafața lunii și a lui Mercur arată ambele dovezi ale bombardamentului de roci și asteroizi mai mici, Uranus a suferit aparent o coliziune semnificativă cu un protoplanet de dimensiunea Pământului. Ca urmare, Uranus este înclinat pe partea sa, cu un stâlp îndreptat spre soare timp de jumătate de an.
Uranus este cel mai mare dintre giganții de gheață, probabil în parte pentru că și-a pierdut o parte din masa sa în timpul impactului.
