Naklonění Uranu má v podstatě planetu obíhající kolem Slunce, osa jeho rotace téměř směřuje na Slunce.
(Obrázek: © NASA a Erich Karkoschka, USA z Arizony)
Ačkoli planety obklopují hvězdy v galaxii, jejich forma zůstává předmětem debaty. Přes bohatství světů v naší vlastní sluneční soustavě si vědci stále nejsou jisti, jak jsou planety stavěny. V současné době to jsou dvě teorie, které ji prosazují pro roli šampiona.
První a nejvíce široce přijímaná, základní narůstání, dobře funguje s vytvářením pozemských planet, ale má problémy s obřími planetami, jako je Uran. Druhá, metoda nestability disku, může vysvětlit vytvoření obřích planet.
„To, co odděluje ledové obry od plynových obrů, je jejich historie utváření: během růstu jádra bývalý nikdy nepřekročil [kritickou hmotu] na plném plynovém disku,“ napsal výzkumný pracovník Renata Frelikh a Ruth Murray-Clay ve výzkumném dokumentu.
Základní akreční model
Přibližně před 4,6 miliardami let byla sluneční soustava oblakem prachu a plynu známého jako sluneční mlhovina. Gravitace zhroutila materiál na sebe, když se začala točit, a formovat slunce uprostřed mlhoviny.
Se vzestupem slunce se zbývající materiál začal shlukovat. Malé částice se spojily, vázané gravitační silou, na větší částice. Sluneční vítr odnesl od sousedních oblastí lehčí prvky, jako je vodík a helium, a zanechal pouze těžké, skalnaté materiály a vytvořil pozemské světy. Ale dále, sluneční větry měly menší dopad na lehčí prvky, což jim umožnilo sloučit se s plynovými obry, jako je Uran. Tímto způsobem byly vytvořeny asteroidy, komety, planety a měsíce.
Na rozdíl od většiny plynových obrů má Uran jádro, které je spíše skalnaté než plynné. Jádro se pravděpodobně vytvořilo nejprve a poté shromáždilo vodík, helium a metan, které vytvářejí atmosféru planety. Teplo z jádra pohání Uranovu teplotu a počasí a přeměňuje teplo přicházející ze vzdáleného slunce, které je téměř 2 miliardy kilometrů daleko.
Zdá se, že některá pozorování exoplanet potvrzují akreci jádra jako dominantní formovací proces. Hvězdy s více „kovy“ - termín, který astronomové používají pro jiné prvky než vodík a helium - mají ve svých jádrech více obřích planet než jejich kovově chudí bratranci. Podle NASA jádro narůstá, že malé, skalnaté světy by měly být běžnější než masivnější obři plynu.
Objev v roce 2005 obří planety s masivním jádrem obíhajícím kolem Slunce podobné hvězdy HD 149026 je příkladem exoplanety, která pomohla posílit důvod pro hromadění jádra.
"Je to potvrzení základní teorie narůstání pro formování planety a důkaz, že by planety tohoto druhu měly existovat v hojnosti," řekl Greg Henry v tiskové zprávě. Henry, astronom na Státní univerzitě v Tennessee v Nashvillu, zjistil stmívání hvězdy.
V roce 2017 Evropská kosmická agentura plánuje zahájit charakterizaci družice Exoplanet Satellite (CHEOPS), která bude studovat exoplanety v rozsahu velikostí od super-Země po Neptun. Studium těchto vzdálených světů může pomoci určit, jak se formovaly planety ve sluneční soustavě.
„Ve scénáři akrece jádra musí jádro planety dosáhnout kritického množství, než bude schopno plynu rychle utíkat,“ řekl tým CHEOPS. "Tato kritická hmotnost závisí na mnoha fyzických proměnných, z nichž nejdůležitější je rychlost nárůstu planetesimálů."
Studiem toho, jak rostou planety acetylový materiál, poskytne CHEOPS vhled do toho, jak rostou světy.
Model nestability disku
Potřeba rychlé tvorby obřích plynových planet je však jedním z problémů nárůstu jádra. Podle modelů tento proces trvá několik milionů let, tedy déle, než byly lehké plyny dostupné v rané sluneční soustavě. Současně čelí základní model narůstání migračnímu problému, protože dětské planety se v krátké době pravděpodobně spirály do slunce.
"Obří planety se vytvářejí opravdu rychle, za pár milionů let," řekl Kevin Walsh, výzkumný pracovník z Southwest Research Institute v Boulderu, Colorado, Space.com. "To vytváří časový limit, protože plynový disk kolem Slunce trvá pouze 4 až 5 milionů let."
Podle relativně nové teorie jsou nestabilita disku, shluky prachu a plynu spojeny na počátku života sluneční soustavy. Postupem času se tyto shluky pomalu zhutňují do obří planety. Tyto planety se mohou tvořit rychleji než jejich hlavní soupeři s narůstajícím jádrem, někdy za pouhých tisíc let, což jim umožňuje zachytit rychle mizející lehčí plyny. Rychle také dosáhnou hmoty stabilizující oběžné dráhy, která je chrání před pochody smrti na slunce.
Jak vědci pokračují ve studiu planet uvnitř sluneční soustavy, stejně jako kolem jiných hvězd, lépe pochopí, jak se Urán a jeho sourozenci formovali.
Oblázková akrece
Největší výzvou pro hromadění jádra je čas - budování masivních plynových obrů dostatečně rychle, aby chytily lehčí složky jejich atmosféry. Nedávný výzkum o tom, jak se menší, oblázkové objekty spojily, aby vytvořily obří planety až 1000krát rychleji než dřívější studie.
„Toto je první model, o kterém víme, že začínáte s jednoduchou strukturou pro sluneční mlhovinu, ze které se planety tvoří, a končíte obří planetární soustavou, kterou vidíme,“ studoval hlavní autor studie Harold Levison, astronom v Southwest Research Institute (SwRI) v Coloradu, řekl Space.com v roce 2015.
V roce 2012 vědci Michiel Lambrechts a Anders Johansen z Lund University ve Švédsku navrhli, aby malé oblázky, jakmile byly odepsány, držely klíč k rychlému budování obřích planet.
"Ukázali, že zbylé oblázky z tohoto formačního procesu, které byly dříve považovány za nedůležité, by ve skutečnosti mohly být velkým řešením problému formování planety," řekl Levison.
Levison a jeho tým stavěli na tomto výzkumu, aby přesněji modelovali, jak by malé oblázky mohly tvořit planety, které dnes vidíme v galaxii. Zatímco předchozí simulace konzumovaly velké i středně velké objekty své oblázkové sestřenice relativně konstantní rychlostí, Levisonovy simulace naznačují, že větší objekty fungovaly spíš jako býci, a vytrhávali oblázky ze středních hmot, aby rostly mnohem rychleji hodnotit.
"Větší objekty nyní mají tendenci rozptylovat menší než rozptýlené menší, takže menší se nakonec dostanou z oblázkového disku," řekla Space.com spoluzakladatelka studie Katherine Kretke, rovněž ze společnosti SwRI. . "Větší chlap v zásadě tyranuje toho menšího, aby mohl sám jíst všechny oblázky, a mohou dále růst a tvořit jádra obřích planet."
Oblázková narůstá s větší pravděpodobností pro obří planety než pro pozemské světy. Podle Sean Raymond, francouzské univerzity v Bordeaux, je to proto, že „oblázky“ jsou o něco větší a mnohem snazší se udržet kolem sněhové linie, imaginární linie, kde je plyn dostatečně studený, aby se stal ledem.
„U oblázků je určitě o něco lepší být těsně za sněhovou čarou,“ řekl Raymond Space.com.
Zatímco oblázek narůstá dobře pro plynové giganty, pro ledové giganty existují určité výzvy. Je to proto, že částice milimetrové až centimetrové velikosti se extrémně účinně akumulují.
"Hromadí se tak rychle, že je obtížné, aby ledová obří jádra existovala zhruba při současných hmotách jádra po podstatnou část životnosti disku, zatímco by narůstala plynová obálka," psali Frelikh a Murray-Clay.
"Aby se vyhnuli útěku, musí proto dokončit svůj růst v určitém čase, kdy je plynový disk částečně, ale ne úplně vyčerpán."
Dvojice navrhovala, že většina hromadění plynu na jádrech Uranu a Neptunu se časově shodovala s jejich pohybem od Slunce. Ale co je může přimět, aby změnili svůj domov v sluneční soustavě?
Pěkný model
Vědci si původně mysleli, že planety se tvoří ve stejné části sluneční soustavy, v níž dnes žijí. Objev exoplanet otřásl věcmi a odhalil, že alespoň některé z nejmasivnějších objektů by mohly migrovat.
V roce 2005 trio papírů publikovaných v časopise Nature navrhlo, že Uran a další obří planety byly vázány na téměř kruhových drahách mnohem kompaktnější než dnes. Obklopil je velký disk hornin a ledů, rozprostírající se asi 35krát daleko od Země-Slunce, těsně za současnou oběžnou dráhou Neptunu. Nazývali to pěkný model, po městě ve Francii, kde to poprvé projednali. (To se vyslovuje Neese.)
Když planety interagovaly s menšími těly, rozptýlily většinu z nich směrem ke slunci. Tento proces způsobil, že obchodovali s objekty s energií a poslali Saturn, Neptun a Uran dále ven do sluneční soustavy. Nakonec se malé objekty dostaly k Jupiteru, který je poslal létat na okraj sluneční soustavy nebo úplně mimo něj.
Pohyb mezi Jupiterem a Saturnem vedl Uran a Neptun na ještě výstřednější oběžnou dráhu a poslal dvojici přes zbývající disk ledu. Část materiálu byla vyhozena dovnitř, kde se během pozdního těžkého bombardování narazila na pozemské planety. Další materiál byl hoden ven a vytvořil Kuiperův pás.
Když se pomalu pohybovali směrem ven, obchodovali místa Neptun a Urán. Interakce se zbývajícími zbytky nakonec způsobily, že se dvojice usadila do více kruhových cest, když dosáhly své aktuální vzdálenosti od Slunce.
Po cestě je možné, že ze systému byla vyhozena jedna nebo dokonce dvě další obří planety. Astronom David Nesvorny z Jihozápadního výzkumného ústavu v Coloradu vymodeloval ranou sluneční soustavu při hledání stop, které by mohly vést k pochopení její rané historie.
"V prvních dnech byla sluneční soustava velmi odlišná, s mnoha dalšími planetami, možná stejně masivními jako Neptun, se formovaly a byly rozptýleny na různá místa," řekl Nesvorny Space.com.
Nebezpečná mládí
Časná sluneční soustava byla obdobím násilných kolizí a Uran nebyl osvobozen. Zatímco povrch Měsíce a Merkur jak ukazují známky bombardování menšími kameny a asteroidy, Uran zřejmě utrpěl významnou kolizi s protoplanetem velikosti Země. Výsledkem je, že Uran je nakloněn na bok a jeden pól směřuje ke slunci půl roku.
Uran je největší ledový obři, možná částečně proto, že během nárazu ztratil část své hmoty.
