Кредит за изображение: НАСА
Ако извънземни астрономи около далечна звезда бяха изучили младото Слънце преди четири и половина милиарда години, можеха ли да видят следи от новосформираната Земя, обикаляща около тази безобидна жълта звезда? Отговорът е да, според Скот Кениън (Смитсоновска астрофизична обсерватория) и Бенджамин Бромли (Университет на Юта). Освен това техният компютърен модел казва, че можем да използваме едни и същи знаци, за да открием места, където планетите с размер на Земята в момента формират млади светове, които един ден могат да бъдат домакини на собствен живот.
Ключът за намирането на новородени Земи, казват Кениън и Бромли, е да се търси не самата планета, а пръстен прах, обикалящ около звездата, който е пръстов отпечатък от земна (скалиста) планета.
„Вероятно е, ако има пръстен от прах, има планета“, казва Кениън.
Добрите планети са трудни за намиране
Нашата слънчева система се образува от въртящ се диск от газ и прах, наречен протопланетен диск, орбитиращ младото Слънце. Същите материали се намират в цялата ни галактика, така че законите на физиката предвиждат други звездни системи да формират планети по подобен начин.
Въпреки че планетите може да са често срещани, те са трудни за откриване, тъй като са твърде слаби и разположени твърде близо до много по-ярка звезда. Следователно астрономите търсят планети, търсейки косвени доказателства за своето съществуване. В младите планетарни системи това доказателство може да присъства в самия диск и как планетата влияе на прашния диск, от който се образува.
Големите планети с размер на Юпитер притежават силна гравитация. Тази гравитация силно влияе на прашния диск. Един Юпитер може да изчисти пролука във формата на пръстен в диска, да изкриви диска или да създаде концентрирани отроци от прах, които оставят шаблон в диска като буд от лодка. Наличието на гигантска планета може да обясни вълнуващия модел, наблюдаван на диска около 350-годишната звезда Вега.
От друга страна малките светове с размер на Земята притежават по-слаба гравитация. Те засягат диска по-слабо, оставяйки по-фини признаци за тяхното присъствие. Вместо да търсят основи или събуждания, Кениън и Бромли препоръчват да погледнете колко ярка е звездната система при инфрачервена (IR) дължина на вълната на светлината. (Инфрачервената светлина, която ние възприемаме като топлина, е светлина с по-големи дължини на вълната и по-малко енергия от видимата светлина.)
Звездите с прашни дискове са по-ярки в IR, отколкото звездите без дискове. Колкото повече прах държи една звездна система, толкова по-ярка е тя в IR. Кениън и Бромли показаха, че астрономите могат да използват инфрачервените яркости не само за да открият диск, но и да кажат кога в този диск се формира планета с размер на Земята.
„Ние бяхме първите, които изчислиха очакваните нива на производство на прах и свързаните с тях инфрачервени излишъци, и първият, който демонстрира, че образуването на земна планета произвежда забележими количества прах“, казва Бромли.
Изграждане на планети от земята
Най-разпространената теория за формирането на планети изисква изграждането на планети „от земята нагоре“. Според теорията на коагулацията малки бита скален материал в протопланетен диск се сблъскват и се слепват. В продължение на хиляди години малките бучки прерастват в по-големи и по-големи буци, като да изградите снежен човек по една шепа сняг наведнъж. В крайна сметка скалните струпвания растат толкова големи, че стават пълноценни планети.
Кениън и Бромли моделират процеса на формиране на планетата, използвайки сложна компютърна програма. Те "засяват" протопланетен диск с милиард планетималяри с размер 0,6 мили (1 километър), като всички обикалят около орбитална централна звезда и придвижват системата напред във времето, за да видят как планетите се развиват от тези основни съставки.
„Направихме симулацията възможно най-реалистична и все още завършихме изчисленията в разумен период от време“, казва Бромли.
Те откриха, че процесът на формиране на планетата е изключително ефективен. Първоначално сблъсъци между планетесимали се случват с ниска скорост, така че сблъскащите се обекти са склонни да се сливат и нарастват. При типично разстояние Земя-Слънце са необходими само около 1000 години, за да прехвърлят 1 километър обекти в 100-километрови (60 мили) обекти. Още 10 000 години произвеждат протопланети с диаметър 600 мили, които нарастват за допълнителни 10 000 години, за да станат протопланети с диаметър 1200 мили. Следователно обектите с размер на Луната могат да се образуват само за 20 000 години.
Тъй като планетесималите в диска стават все по-големи и по-масивни, тежестта им се засилва. След като няколко от обектите достигнат размер от 600 мили, те започват да "разбъркват" останалите по-малки обекти. Гравитационните прашки показват по-малките, астероидни парчета скали на по-високи и по-високи скорости. Те пътуват толкова бързо, че когато се сблъскат, те не се сливат - пулверизират се, раздробявайки се един друг насилствено. Докато най-големите протопланети продължават да растат, останалите скални планетимали се смилат един друг в прах.
„Прахът се образува точно там, където се образува планетата, на същото разстояние от нейната звезда“, казва Кениън. В резултат на това температурата на праха показва къде се формира планетата. Прахът в орбита, подобна на Венера, ще бъде по-горещ от праха в земна орбита, което ще даде представа за разстоянието на детската планета от нейната звезда.
Размерът на най-големите обекти в диска определя скоростта на производство на прах. Количеството прах достига пикове, когато са се образували протопланети на 600 мили.
„Космическият телескоп„ Спицер “трябва да може да открива такива прахови пикове“, казва Бромли.
В момента моделът за формиране на земни планети на Кениън и Бромли обхваща само частица от Слънчевата система, от орбитата на Венера до разстояние около половината път между Земята и Марс. В бъдеще те планират да разширят модела, за да обхванат орбитите толкова близо до Слънцето, колкото Меркурий и толкова далечни като Марс.
Те също са моделирали формирането на пояса на Койпер - регион от малки ледени и скалисти предмети извън орбитата на Нептун. Следващата логична стъпка е да се моделира образуването на газови гиганти като Юпитер и Сатурн.
"Започваме от краищата на Слънчевата система и работим навътре", казва Кениън с усмивка. „Ние също работим масово. Земята е 1000 пъти по-масивна от обекта на Койпер, а Юпитер е 1000 пъти по-масивен от Земята. "
„Крайната ни цел е да моделираме и разберем формирането на цялата ни слънчева система.“ Кениън смята, че целта им е постижима в рамките на десетилетие, тъй като скоростта на компютъра продължава да се увеличава, което позволява симулирането на цяла слънчева система.
Това изследване е публикувано в броя на The Astrophysical Journal Letters на 20 февруари 2004 г. Допълнителна информация и анимации са достъпни онлайн на адрес http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Със седалище в Кеймбридж, Масачузетс, Центърът по астрофизика в Харвард-Смитсън е съвместно сътрудничество между Смитсоновската астрофизична обсерватория и обсерваторията в Харвардския колеж. Учените от CfA, организирани в шест изследователски отдела, изучават произхода, еволюцията и крайната съдба на Вселената.
Оригинален източник: CfA News Release
