Obrazový kredit: NASA
Pokud mimozemští astronomové kolem vzdálené hvězdy studovali mladé Slunce před čtyřmi a půl miliardami let, mohli vidět známky nově vzniklé Země obíhající kolem této neškodné žluté hvězdy? Odpověď je ano, podle Scotta Kenyona (Smithsonian Astrophysical Observatory) a Benjamina Bromleyho (University of Utah). Navíc jejich počítačový model říká, že můžeme použít stejné znaky k lokalizaci míst, kde se v současnosti formují planety velikosti Země – mladé světy, které jednoho dne mohou hostit vlastní život.
Klíčem k lokalizaci nově zrozených Země, říkají Kenyon a Bromley, není hledat planetu samotnou, ale prstenec prachu obíhající kolem hvězdy, který je otiskem pozemského (kamenného) formování planet.
'Je pravděpodobné, že pokud existuje prstenec prachu, existuje planeta,' říká Kenyon.
Dobré planety se těžko hledají
Naše sluneční soustava vznikla z vířícího disku plynu a prachu, nazývaného protoplanetární disk, obíhajícího kolem mladého Slunce. Stejné materiály se nacházejí v celé naší galaxii, takže fyzikální zákony předpovídají, že jiné hvězdné systémy vytvoří planety podobným způsobem.
Přestože planety mohou být běžné, je obtížné je odhalit, protože jsou příliš slabé a nacházejí se příliš blízko mnohem jasnější hvězdy. Astronomové proto hledají planety tak, že hledají nepřímé důkazy o jejich existenci. V mladých planetárních systémech může být tento důkaz přítomen v samotném disku a v tom, jak planeta ovlivňuje prašný disk, ze kterého se tvoří.
Velké planety velikosti Jupitera mají silnou gravitaci. Tato gravitace silně ovlivňuje zaprášený disk. Jediný Jupiter může vyčistit prstencovitou mezeru v disku, zkroutit disk nebo vytvořit koncentrované pásy prachu, které zanechají v disku vzor jako brázda z lodi. Přítomnost obří planety může vysvětlit vzor podobný brázdě pozorovaný na disku kolem 350 milionů let staré hvězdy Vega.
Na druhé straně malé světy o velikosti Země mají slabší gravitaci. Ovlivňují disk slaběji a zanechávají jemnější známky jejich přítomnosti. Kenyon a Bromley doporučují spíše než hledat warpy nebo brázdy, aby se podívali, jak jasný je hvězdný systém na infračervených (IR) vlnových délkách světla. (Infračervené světlo, které vnímáme jako teplo, je světlo s delšími vlnovými délkami a menší energií než viditelné světlo.)
Hvězdy s prachovými disky jsou v IR jasnější než hvězdy bez disků. Čím více prachu hvězdný systém pojme, tím jasnější je v IR. Kenyon a Bromley prokázali, že astronomové mohou použít IR jasy nejen k detekci disku, ale také ke zjištění, kdy se na tomto disku tvoří planeta velikosti Země.
„Byli jsme první, kdo vypočítal očekávané úrovně produkce prachu a související infračervené přebytky, a první, kdo prokázal, že tvorba pozemských planet produkuje pozorovatelná množství prachu,“ říká Bromley.
Budování planet od základů
Nejrozšířenější teorie vzniku planet volá po budování planet „od základů“. Podle koagulační teorie se malé kousky skalnatého materiálu v protoplanetárním disku srazí a slepí. V průběhu tisíců let se malé shluky rozrůstají do větších a větších shluků, jako když stavíte sněhuláka jednu hrst sněhu po druhé. Skalnaté shluky se nakonec rozrostou tak, že se z nich stanou plnohodnotné planety.
Kenyon a Bromley modelují proces formování planety pomocí složitého počítačového programu. „Osévají“ protoplanetární disk s miliardou planetesimál o velikosti 0,6 míle (1 kilometr), všechny obíhají kolem centrální hvězdy, a posunou systém vpřed, aby viděli, jak se planety vyvíjejí z těchto základních složek.
„Udělali jsme simulaci tak realistickou, jak jsme jen mohli, a přesto jsme dokončili výpočty v rozumném čase,“ říká Bromley.
Zjistili, že proces formování planety je pozoruhodně účinný. Zpočátku ke srážkám mezi planetesimálami dochází při nízkých rychlostech, takže srážející se objekty mají tendenci se spojovat a růst. V typické vzdálenosti Země-Slunce trvá jen asi 1000 let, než 1-kilometrové objekty vyrostou na 100-kilometrové (60 mil) objekty. Dalších 10 000 let produkuje protoplanety o průměru 600 mil, které během dalších 10 000 let rostou, aby se staly protoplanetami o průměru 1200 mil. Objekty velikosti Měsíce se tedy mohou vytvořit za pouhých 20 000 let.
Jak jsou planetesimály v disku větší a hmotnější, jejich gravitace sílí. Jakmile několik objektů dosáhne velikosti 600 mil, začnou „probouzet“ zbývající menší objekty. Gravitace vystřeluje menší kusy kamene o velikosti asteroidu na vyšší a vyšší rychlost. Cestují tak rychle, že když se srazí, nesplynou – rozdrtí se a navzájem se prudce rozbijí. Zatímco největší protoplanety pokračují v růstu, zbytek kamenných planetesimál se navzájem drtí v prach.
'Prach se tvoří přímo tam, kde se tvoří planeta, ve stejné vzdálenosti od její hvězdy,' říká Kenyon. Výsledkem je, že teplota prachu ukazuje, kde se planeta formuje. Prach na oběžné dráze podobné Venuši bude žhavější než prach na oběžné dráze podobné Zemi, což poskytne vodítko ke vzdálenosti malé planety od své hvězdy.
Velikost největších objektů na disku určuje rychlost produkce prachu. Množství prachu vrcholí, když se zformují 600 mil protoplanety.
'Spitzerův vesmírný dalekohled by měl být schopen detekovat takové prachové vrcholy,' říká Bromley.
V současné době Kenyonův a Bromleyho model formování pozemských planet pokrývá pouze zlomek sluneční soustavy, od oběžné dráhy Venuše po vzdálenost přibližně v polovině vzdálenosti mezi Zemí a Marsem. V budoucnu plánují rozšířit model tak, aby zahrnoval oběžné dráhy blízké Slunci jako Merkur a vzdálené jako Mars.
Také modelovali formování Kuiperova pásu – oblasti malých, ledových a skalnatých objektů za oběžnou dráhou Neptunu. Dalším logickým krokem je modelování formování plynných obrů jako Jupiter a Saturn.
'Začínáme na okrajích sluneční soustavy a pracujeme dovnitř,' říká Kenyon s úsměvem. 'Také pracujeme na masovém vzestupu.' Země je 1000krát hmotnější než těleso v Kuiperově pásu a Jupiter je 1000krát hmotnější než Země.“
'Naším konečným cílem je modelovat a porozumět formování celé naší sluneční soustavy.' Kenyon odhaduje, že jejich cíl je dosažitelný během deseti let, protože rychlost počítače se neustále zvyšuje, což umožňuje simulaci celé sluneční soustavy.
Tento výzkum byl publikován 20. února 2004, vydání The Astrophysical Journal Letters. Další informace a animace jsou k dispozici online na http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics se sídlem v Cambridge, Massachusetts, je společnou spoluprací mezi Smithsonian Astrophysical Observatory a Harvard College Observatory. Vědci CfA, organizovaní do šesti výzkumných divizí, studují původ, evoluci a konečný osud vesmíru.
Původní zdroj: Tisková zpráva CfA