Наклона на Уран по същество има планетата около орбитата на Слънцето, оста на въртенето му е почти насочена към Слънцето.
(Изображение: © НАСА и Ерих Каркошка, САЩ, Аризона)
Въпреки че планетите обграждат звезди в галактиката, как те се образуват, остава обект на дискусия. Въпреки богатството на светове в нашата собствена слънчева система, учените все още не са сигурни как са изградени планетите. В момента две теории го извеждат за ролята на шампион.
Първата и най-широко приета, ядрена аккреция, работи добре с формирането на земните планети, но има проблеми с гигантските планети като Уран. Вторият, методът на нестабилността на диска, може да обясни създаването на гигантски планети.
"Това, което отделя ледените гиганти от газовите гиганти, е историята на тяхното формиране: по време на растежа на ядрото, първият никога не е надвишавал [критичната маса] в пълен газов диск", пишат изследователите Рената Фрелих и Рут Мъри-Клей в изследователска статия.
Основният модел на аккреция
Преди около 4,6 милиарда години Слънчевата система беше облак от прах и газ, известен като слънчева мъглявина. Гравитацията свива материала върху себе си, когато той започва да се върти, образувайки слънцето в центъра на мъглявината.
С изгряването на слънцето останалият материал започна да се слепва. Малки частици се обединяват, свързани чрез силата на гравитацията, в по-големи частици. Слънчевият вятър помете по-леки елементи, като водород и хелий, от по-близките региони, оставяйки само тежки, скални материали за създаване на земни светове. Но по-далеч слънчевите ветрове имаха по-малко въздействие върху по-леките елементи, което им позволяваше да се слеят в газови гиганти като Уран. По този начин са създадени астероиди, комети, планети и луни.
За разлика от повечето газови гиганти, Уран има ядро, което е каменисто, а не газообразно. Най-вероятно ядрото се е образувало първо, а след това е събрало водорода, хелия и метана, съставляващи атмосферата на планетата. Топлината от сърцевината задвижва температурата и времето на Уран, преодолявайки топлината, идваща от далечното слънце, което е на почти 2 милиарда мили.
Някои наблюдения на екзопланети като че ли потвърждават нарастването на ядрото като доминиращ процес на формиране. Звезди с повече "метали" - термин, който астрономите използват за елементи, различни от водород и хелий - в своите ядра имат повече гигантски планети, отколкото техните братовчеди, бедни на метали. Според НАСА основното натрупване предполага, че малките скалисти светове трябва да са по-често срещани от по-масовите газови гиганти.
Откриването през 2005 г. на гигантска планета с масивно ядро, обикалящо около орбитата на слънцето звезда HD 149026, е пример за екзопланета, която спомогна за укрепването на случая за натрупване на ядрото.
„Това е потвърждение на основната теория за аккреция за формиране на планети и доказателство, че планетите от този вид трябва да съществуват в изобилие“, казва Грег Хенри в съобщение за пресата. Хенри, астроном от Държавния университет в Тенеси, Нешвил, откри затъмняването на звездата.
През 2017 г. Европейската космическа агенция планира да пусне характеризиращия спътник ExOPlanet (CHEOPS), който ще изучава екзопланети, вариращи в размери от супер-Земята до Нептун. Изучаването на тези далечни светове може да помогне да се определи как са се образували планетите в Слънчевата система.
„В основния сценарий за натрупване ядрото на една планета трябва да достигне критична маса, преди да може да отделя газ по бегъл начин“, коментира екипът на CHEOPS. „Тази критична маса зависи от много физически променливи, сред най-важните от които е скоростта на натрупване на планестемали.“
Изучавайки как растящите планети натрупват материал, CHEOPS ще даде представа за това как растат световете.
Моделът на нестабилността на диска
Но необходимостта от бързо образуване на гигантските газови планети е един от проблемите на натрупването на ядрото. Според моделите процесът отнема няколко милиона години, по-дълго, отколкото светлинните газове са били налични в ранната Слънчева система. В същото време моделът на основното натрупване е изправен пред проблем на миграцията, тъй като бебешките планети вероятно ще се извият на слънцето за кратък период от време.
"Гигантските планети се формират наистина бързо, след няколко милиона години", заяви за Space.com Кевин Уолш, изследовател от Югозападния изследователски институт в Боулдър, Колорадо. "Това създава ограничение във времето, защото газовият диск около слънцето продължава само 4 до 5 милиона години."
Според сравнително нова теория, нестабилността на диска, буците прах и газ са свързани заедно в началото на живота на Слънчевата система. С течение на времето тези бучки бавно се компактират в гигантска планета. Тези планети могат да се образуват по-бързо от основните им съперници по аккреция, понякога само за хиляда години, което им позволява да улавят бързо изчезващите по-леки газове. Те също така бързо достигат маса, стабилизираща орбитата, която ги предпазва от поход на смъртта към слънцето.
Докато учените продължават да изучават планети вътре в Слънчевата система, както и около други звезди, те ще разберат по-добре как се е формирал Уран и неговите братя и сестри.
Набиване на камъчета
Най-голямото предизвикателство за натрупването на ядрото е времето - изграждането на масивни газови гиганти достатъчно бързо, за да грабнат по-леките компоненти на тяхната атмосфера. Неотдавнашни проучвания за това как по-малки обекти с големина на камъчета се сливат, за да създадат гигантски планети до 1000 пъти по-бързо от по-ранни проучвания.
„Това е първият модел, за който знаем, че започвате с доста проста структура за слънчевата мъглявина, от която се формират планетите, и завършвате с гигантската планетна система, която виждаме“, водещият автор на изследването Харолд Левисън, астроном в Югозападния изследователски институт (SwRI) в Колорадо, каза пред Space.com през 2015 г.
През 2012 г. изследователи Михиел Ламбрехтс и Андерс Йохансен от университета в Лунд в Швеция предложиха, че малки камъчета, веднъж отписани, държат ключа за бързото изграждане на гигантски планети.
"Те показаха, че остатъчните камъчета от този процес на формиране, които по-рано се смятаха за маловажни, всъщност могат да бъдат огромно решение на проблема за формиране на планетата", каза Левисън.
Левисън и неговият екип се основаваха на това изследване, за да моделират по-точно как малките камъчета могат да формират планети, виждани в галактиката днес. Докато предишните симулации, както големи, така и средни по размер обекти консумираха братовчедите си с големина на камъчета с относително постоянна скорост, симулациите на Levison предполагат, че по-големите предмети са действали по-скоро като побойници, измъквайки камъчета от средните маси, за да растат далеч по-бързо ставка.
„По-големите обекти сега са склонни да разпръснат по-малките повече, отколкото по-малките ги разпръснат обратно, така че по-малките в крайна сметка се разпръснат от камъчето на камъчето“, съавторът на изследването Катрин Кретке, също от SwRI, каза за Space.com , "По-големият човек всъщност тормози по-малкия, за да може сам да изяде всички камъчета. Те могат да продължат да растат, за да образуват сърцевините на гигантските планети."
Акремирането на камъчета е по-вероятно да работи за гигантските планети, отколкото за земните светове. Според Шон Реймънд от френския университет в Бордо, това е, защото "камъчетата" са малко по-големи и много по-лесно се задържат покрай снежната линия, въображаемата линия, при която газът е достатъчно студен, за да стане лед.
„За камъчетата определено е малко по-добре да сте точно покрай снежната линия“, каза Реймънд пред Space.com.
Докато натрупването на камъчета работи добре за газовите гиганти, има някои предизвикателства за ледените гиганти. Това е така, защото частиците с размери от милиметър до сантиметър се акредитират изключително ефективно.
"Те се акретизират толкова бързо, че е трудно за ядрата на ледените гиганти да съществуват приблизително в сегашната си маса на ядрото за значителна част от живота на диска, докато натрупват газова обвивка", пише Фрелих и Мъри-Клей.
"За да избегнат бягството, те трябва да завършат растежа си в точно определен момент, когато газовият диск е частично, но не изцяло, изчерпан."
Двойката предложи, че по-голямата част от натрупването на газ върху сърцевините на Уран и Нептун съвпада с тяхното отдалечаване от слънцето. Но какво би могло да ги накара да променят дома си в Слънчевата система?
Хубав модел
Първоначално учените смятали, че планетите са се образували в същата част от Слънчевата система, в която живеят днес. Откриването на екзопланети потресе нещата, разкривайки, че поне някои от най-масовите предмети могат да мигрират.
През 2005 г. трио от документи, публикувани в списанието Nature, предложиха Уран и другите гигантски планети да бъдат свързани в близокръгли орбити, много по-компактни, отколкото са днес. Голям диск от скали и калци ги обграждаха, простирайки се до около 35 пъти разстоянието Земя-Слънце, точно отвъд настоящата орбита на Нептун. Те нарекоха това хубавият модел, след града във Франция, където за първи път го обсъдиха. (Това се произнася Нийзе.)
Докато планетите взаимодействаха с по-малките тела, те разпръснаха повечето от тях към слънцето. Процесът ги накара да търгуват с енергия с обектите, като изпращат Сатурн, Нептун и Уран по-далеч в Слънчевата система. В крайна сметка малките предмети стигнаха до Юпитер, който ги изпрати да летят до ръба на Слънчевата система или напълно от нея.
Движението между Юпитер и Сатурн изведе Уран и Нептун в още по-ексцентрични орбити, изпращайки двойката през останалия диск с ледове. Част от материала беше хвърлен навътре, където се разби в земните планети по време на Късната тежка бомбардировка. Други материали бяха хвърлени навън, създавайки пояса на Койпер.
Докато бавно се движеха навън, Нептун и Уран търгуваха места. В крайна сметка взаимодействията с останалите отломки накараха двойката да се установи в по-кръгови пътеки, докато достигнаха текущото си разстояние от слънцето.
По пътя е възможно една или дори две други гигантски планети да бъдат изхвърлени от системата. Астрономът Дейвид Несворни от Югозападния изследователски институт в Колорадо е моделирал ранната Слънчева система в търсене на улики, които биха могли да доведат до разбиране на нейната ранна история.
„В първите дни Слънчевата система беше много различна, с много повече планети, може би толкова масивна като Нептун, образуваща се и разпръсната на различни места“, каза Несворни пред Space.com.
Опасен младеж
Ранната слънчева система беше време на жестоки сблъсъци и Уран не беше освободен. Докато и повърхността на Луната и Меркурий показват доказателства за бомбардировка от по-малки скали и астероиди, Уран очевидно е претърпял значителен сблъсък с протопланета с размер на Земята. В резултат на това Уран е наклонен на своя страна, като единият полюс е насочен към слънцето в продължение на половин година.
Уран е най-големият от ледените гиганти, може би отчасти защото е загубил част от масата си по време на удара.
