Obrazový kredit: NASA
Kdyby mimozemští astronomové kolem vzdálené hvězdy studovali mladé Slunce před čtyřmi a půl miliardami let, mohli by vidět známky nově vytvořené Země obíhající tuto neškodnou žlutou hvězdu? Odpověď zní ano, podle Scott Kenyon (Smithsonian Astrofyzical Observatory) a Benjamin Bromley (University of Utah). Jejich počítačový model navíc říká, že můžeme použít stejné znaky k nalezení míst, kde v současné době formují planety velikosti Země - mladé světy, které jednoho dne mohou hostit svůj vlastní život.
Klíčem k lokalizaci novorozených Země, říkají Kenyon a Bromley, je nehledat planetu samotnou, ale prsten prachu obíhající kolem hvězdy, která je otiskem prstu pozemské (skalní) formace planety.
"Je pravděpodobné, že existuje-li prsten prachu, je tu planeta," říká Kenyon.
Dobré planety je těžké najít
Naše sluneční soustava se tvořila z vířícího se disku plynu a prachu, nazývaného protoplanetární disk, obíhajícího mladé slunce. Stejné materiály se nacházejí v celé naší galaxii, takže fyzikální zákony předpovídají, že jiné hvězdné systémy budou podobným způsobem tvořit planety.
Přestože planety mohou být běžné, je obtížné je odhalit, protože jsou příliš slabé a umístěné příliš blízko mnohem jasnější hvězdy. Astronomové proto hledají planety hledáním nepřímých důkazů o jejich existenci. V mladých planetárních systémech mohou být tyto důkazy přítomny v samotném disku a v tom, jak planeta ovlivňuje zaprášený disk, ze kterého se vytváří.
Velké planety velikosti Jupiter mají silnou gravitaci. Tato gravitace silně ovlivňuje zaprášený disk. Jediný Jupiter dokáže vyčistit mezeru ve tvaru prstence ve tvaru disku, deformovat disk nebo vytvořit koncentrované stopy prachu, které zanechávají na disku vzor jako probuzení z lodi. Přítomnost obří planety může vysvětlit probuzení podobný vzoru, který je vidět na disku kolem 350 milionů let staré hvězdy Vega.
Na druhé straně malé světy o velikosti Země mají slabší gravitaci. Ovlivňují disk slabě a zanechávají jemnější známky jejich přítomnosti. Spíše než hledat osnovy nebo probuzení, Kenyon a Bromley doporučují podívat se, jak jasný je hvězdný systém na infračervených (IR) vlnových délkách světla. (Infračervené světlo, které vnímáme jako teplo, je světlo s delšími vlnovými délkami a méně energie než viditelné světlo.)
Hvězdy s prašnými disky jsou v IR jasnější než hvězdy bez disků. Čím více prachu drží hvězdný systém, tím jasnější je v IR. Kenyon a Bromley ukázali, že astronomové mohou používat IR jas nejen k detekci disku, ale také k tomu, aby zjistili, kdy se v tomto disku tvoří planeta Země.
"Byli jsme první, kdo vypočítal očekávané úrovně produkce prachu a přidružené infračervené excesy, a první, kdo prokázal, že formace pozemské planety produkuje pozorovatelné množství prachu," říká Bromley.
Budování planet od základů
Nejrozšířenější teorie formování planet vyžaduje budování planet „od základů“. Podle teorie koagulace se malé kousky skalního materiálu v protoplanetárním disku srazí a drží spolu. Po tisíce let se malé shluky rozrůstají na větší a větší shluky, jako když si buduje sněhuláka jednu hrst sněhu najednou. Nakonec skalnaté shluky rostou tak velké, že se stanou plnohodnotnými planetami.
Kenyon a Bromley modelují proces formování planety pomocí složitého počítačového programu. „Nasazují“ protoplanetární disk s miliardou planetesimálů o velikosti 1 kilometr, všechny obíhají kolem centrální hvězdy a včas posouvají systém dopředu, aby zjistili, jak se planety vyvíjejí z těchto základních složek.
"Simulaci jsme provedli tak realisticky, jak jsme mohli, a výpočty jsme ještě dokončili v rozumném čase," říká Bromley.
Zjistili, že proces formování planety je pozoruhodně účinný. Zpočátku dochází ke srážkám mezi planetesimály při nízkých rychlostech, takže srážkové objekty mají tendenci se sloučit a růst. Při typické vzdálenosti Země-Slunce trvá jen 1 000 let, než se 1 kilometrové objekty rozrostou na 100 kilometrů (60 mil). Dalších 10 000 let produkuje protoplanety o průměru 600 mil, které rostou v průběhu dalších 10 000 let, aby se staly protoplanety o průměru 1200 mil. Proto se objekty velikosti Měsíce mohou tvořit za pouhých 20 000 let.
Jak se planetesimály na disku zvětšují a masivují, jejich gravitace roste. Jakmile několik objektů dosáhne velikosti 600 mil, začnou „míchat“ zbývající menší objekty. Gravitace prší menší kusy skály o velikosti asteroidů na vyšší a vyšší rychlosti. Cestují tak rychle, že když se srazí, nespojí se - rozmělní se a prudce se rozbijí. Zatímco největší protoplanety stále rostou, zbytek skalních planetesimálů se navzájem rozdrtí na prach.
"Prach se vytváří přesně tam, kde se planeta vytváří, ve stejné vzdálenosti od své hvězdy," říká Kenyon. Výsledkem je, že teplota prachu ukazuje, kde se planeta formuje. Prach na oběžné dráze podobné Venuši bude teplejší než prach na oběžné dráze podobné Zemi, což poskytne vodítko pro vzdálenost kojenecké planety od její hvězdy.
Velikost největších objektů na disku určuje rychlost produkce prachu. Množství vrcholů prachu, když se vytvořily protoplanety o délce 600 mil.
"Kosmický dalekohled Spitzer by měl být schopen takové prachové špičky detekovat," říká Bromley.
V současné době Kenyonův a Bromleyův model formování pozemské planety pokrývá pouze zlomek sluneční soustavy, od orbity Venuše po vzdálenost asi na půli cesty mezi Zemí a Marsem. V budoucnu plánují rozšířit model tak, aby zahrnoval oběžné dráhy tak blízko Slunce jako Merkur a tak vzdálené jako Mars.
Modelovali také vytvoření Kuiperova pásu - oblasti malých, ledových a skalnatých objektů za oběžnou dráhou Neptunu. Dalším logickým krokem je modelování tvorby plynných obrů jako Jupiter a Saturn.
"Začínáme na okraji sluneční soustavy a pracujeme dovnitř," řekl Kenyon s úsměvem. "Pracujeme také na vzestupu. Země je 1000krát hmotnější než objekt Kuiper Belt a Jupiter je 1000krát hmotnější než Země. “
"Naším konečným cílem je modelovat a porozumět formování celé naší sluneční soustavy." Kenyon odhaduje, že jejich cíle je možné dosáhnout během deseti let, protože rychlost počítače neustále roste, což umožňuje simulaci celé sluneční soustavy.
Tento výzkum byl publikován 20. února 2004, vydání časopisu The Astrophysical Journal Letters. Další informace a animace jsou k dispozici online na adrese http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Harvard-Smithsonianovo centrum pro astrofyziku se sídlem v Cambridge v Massachusetts je společnou spoluprací mezi Smithsonianskou astrofyzikální observatoří a Harvard College Observatory. Vědci CfA, organizovaní do šesti výzkumných divizí, studují původ, vývoj a konečný osud vesmíru.
Původní zdroj: CfA News Release
