Uraani kaldenurga ümber on planeet, mis tiirleb ümber Päikese, tema spinni telg on peaaegu suunatud Päikese poole.
(Pilt: © NASA ja Erich Karkoschka, Arizona USA)
Kuigi planeedid ümbritsevad galaktikas tähti, jääb nende moodustamise viis endiselt vaidluse alla. Vaatamata meie päikesesüsteemi rikkalikule maailmale, pole teadlased endiselt kindlad, kuidas planeete ehitatakse. Praegu on kaks teooriat selle väljamõistmiseks meister.
Esimene ja kõige laialdasemalt aktsepteeritud tuumakreemia toimib hästi maapealsete planeetide moodustamisel, kuid tal on probleeme selliste hiiglaslike planeetidega nagu Uraan. Teine, ketta ebastabiilsuse meetod, võib hõlmata hiiglaslike planeetide loomist.
"See, mis eraldab jäähiiglasi gaasihiiglastest, on nende moodustumise ajalugu: tuumiku kasvu ajal ei ületanud endised kunagi [kriitilist massi] täies gaasiketas," kirjutasid teadlased Renata Frelikh ja Ruth Murray-Clay uurimistöös.
Põhimõõtmismudel
Ligikaudu 4,6 miljardit aastat tagasi oli Päikesesüsteem tolmu- ja gaasipilv, mida tunti päikese udukogu nime all. Gravitatsioon varises materjali iseenesest, kui see hakkas pöörlema, moodustades udukogu keskele päikese.
Päikese tõusuga hakkas järelejäänud materjal kokku kogunema. Väikesed osakesed tõmbusid raskusjõu abil kokku suuremateks osakesteks. Päikesetuul pühkis lähedastest piirkondadest minema kergemaid elemente, nagu vesinik ja heelium, jättes maapealsete maailmade loomiseks ainult rasked, kivised materjalid. Kuid kaugemal olid päikesetuuled kergematele elementidele vähem mõju avaldanud, võimaldades neil koonduda gaasihiiglasteks nagu Uraan. Sel moel loodi asteroide, komeete, planeete ja kuusid.
Erinevalt enamikust gaasihiiglastest on Uraanil tuum pigem kivine kui gaasiline. Tuum moodustus tõenäoliselt kõigepealt ja siis kogunes vesinik, heelium ja metaan, mis moodustavad planeedi atmosfääri. Tuumast tulenev kuumus mõjutab Uraani temperatuuri ja ilmastikuolusid, seades liiga kaugele päikesest, mis asub peaaegu 2 miljardit miili, tuleva soojuse.
Tundub, et mõned eksoplaneedi tähelepanekud kinnitavad peamist moodustumist kui domineerivat moodustumisprotsessi. Tärnid, millel on rohkem "metalle" - terminit, mida astronoomid kasutavad muude elementide jaoks peale vesiniku ja heeliumi -, nende tuumades on rohkem hiidplaneete kui nende metallivaestes nõbudes. NASA sõnul soovitab tuumakoristus, et väikesed kivised maailmad peaksid olema tavalisemad kui massilisemad gaasigigandid.
Päikesesarnase tähe HD 149026 ümber tiirleva hiiglasliku tuumaga hiiglasliku planeedi avastus 2005. aastal on näide eksoplaneedist, mis aitas tugevdada tuumade akrediteerimise võimalust.
"See on kinnitus planeedi moodustumise põhiteraapia teooriale ja tõendusmaterjal selle kohta, et sedalaadi planeete peaks eksisteerima ohtralt," ütles Greg Henry pressiteates. Nashville'is Tennessee osariigi ülikooli astronoom Henry tuvastas tähe tuhmumise.
2017. aastal kavatseb Euroopa Kosmoseagentuur käivitada iseloomustava ExOPlanet Satellite (CHEOPS), mis uurib eksoplaneete suurusega alates supermaast kuni Neptuunini. Nende kaugete maailmade uurimine võib aidata kindlaks teha, kuidas moodustasid Päikesesüsteemis planeedid.
"Põhiandmete stsenaariumi korral peab planeedi tuum saavutama kriitilise massi, enne kui see suudab gaasi vallandada," ütles CHEOPSi meeskond. "See kriitiline mass sõltub paljudest füüsikalistest muutujatest, millest kõige olulisem on tasapinnaliste imendumiskiirus."
Uurides, kuidas kasvavad planeedid materjali kogunevad, annab CHEOPS ülevaate, kuidas maailmad kasvavad.
Ketta ebastabiilsuse mudel
Kuid tuumade akrimineerimise üks probleeme on vajadus hiiglaslike gaasiplaneetide kiire moodustamise järele. Mudelite kohaselt võtab protsess mitu miljonit aastat, kauem kui varases päikesesüsteemis olid saadaval kerged gaasid. Samal ajal seisab põhiline akretsioonimudel silmitsi rändeprobleemiga, kuna beebiplaneedid spiraalivad tõenäoliselt päikese käes lühikese aja jooksul.
"Hiiglaslikud planeedid moodustuvad tõesti kiiresti, mõne miljoni aasta pärast," rääkis Colorado Boulderis asuva Edela-uuringute instituudi teadur Kevin Walsh Space.com-ile. "See loob ajapiirangu, kuna päikese ümber olev gaasiketas kestab vaid 4 kuni 5 miljonit aastat."
Suhteliselt uue teooria kohaselt on ketta ebastabiilsus, tolmu ja gaasi tükid seotud päikesesüsteemi varases elujärgus. Aja jooksul tihenesid need klombid aeglaselt hiiglaslikuks planeediks. Need planeedid võivad moodustuda kiiremini kui nende tuumakrivaadid, mõnikord isegi tuhande aasta pärast, võimaldades neil kiiresti kaduvaid kergemaid gaase püüda. Samuti jõuavad nad kiiresti orbiiti stabiliseeriva massini, mis hoiab neid surma eest päikese kätte marssimast.
Kuna teadlased jätkavad Päikesesüsteemi sees asuvate planeetide, aga ka teiste tähtede ümbruse uurimist, mõistavad nad paremini, kuidas Uraan ja tema õed-vennad moodustasid.
Veeris
Suurim väljakutse tuuma akrimineerimisele on aeg - massiivsete gaasigigaanide ehitamine piisavalt kiiresti, et haarata nende atmosfääri kergemad komponendid. Värskeimad uuringud selle kohta, kuidas väiksemad veerisuurused objektid sulandusid kokku, et ehitada hiiglaslikke planeete kuni 1000 korda kiiremini kui varasemates uuringutes.
"See on esimene mudel, mida me teame, et alustate üsna lihtsa struktuuriga Päikese udust, millest planeedid moodustuvad, ja lõpetades hiiglasliku planeedisüsteemiga, mida me näeme," räägib uuringu juhtiv autor Harold Levison, astronoom Colorados asuvas Edela-uuringute instituudis (SwRI), ütles Space.com 2015. aastal.
Aastal 2012 tegid Rootsi Lundi ülikooli teadlased Michiel Lambrechts ja Anders Johansen ettepaneku, et pisikesed veeris, mis oleks maha kantud, oleks võti hiiglaslike planeetide kiireks ehitamiseks.
"Nad näitasid, et sellest moodustumisprotsessist järelejäänud veeris, mida varem peeti tähtsusetuks, võib tegelikult olla tohutu lahendus planeedi moodustamise probleemile," ütles Levison.
Levison ja tema meeskond tuginesid sellele uurimistööle, et modelleerida täpsemalt, kuidas pisikesed kivikesed võiksid moodustada täna galaktikas nähtud planeete. Kui varasemates simulatsioonides tarbisid nii suured kui ka keskmise suurusega objektid oma veerisuuruseid nõoid suhteliselt ühtlase kiirusega, siis Levisoni simulatsioonide kohaselt käitusid suuremad objektid pigem kiusajatena, siputades keskmise suurusega massist kivikesi kaugemale kiiremaks kasvamiseks määra.
"Nüüd kipuvad suuremad objektid hajutama väiksemaid rohkem kui väiksemad hajutavad need tagasi, nii et väiksemad lähevad veerisketast laiali," rääkis uuringu kaasautor Katherine Kretke, samuti SwRI-st, Space.com-ile. . "Suurem kutt kiusab põhimõtteliselt väiksemat, et nad saaksid kõik veerisid ise ära süüa ja nad saaksid edasi kasvada, moodustades hiiglaslike planeetide tuumad."
Pebble'i akretsioon töötab hiidplaneetide jaoks tõenäolisemalt kui maapealsed maailmad. Prantsusmaa Bordeauxi ülikooli Sean Raymondi sõnul on selle põhjuseks asjaolu, et kivikesed on pisut suuremad ja neid on palju lihtsam kinni hoida lumeliinist - kujuteldavast joonest, kus gaas on piisavalt külm, et jääks muutuda.
"Veeris on kindlasti pisut parem olla lihtsalt lumeliinist mööda," rääkis Raymond Space.com-ile.
Ehkki kiviklibu aktiveerimine sobib hästi gaasigigaanidele, on jäägigaanidel siiski mõned väljakutsed. Selle põhjuseks on asjaolu, et millimeetri kuni sentimeetri suurused osakesed aktiveeruvad eriti tõhusalt.
"Need aktiveeruvad nii kiiresti, et jääga hiiglaslikel südamikel on raske moodustada märkimisväärne osa ketta tööajast, samal ajal kui gaasiümbrist aktiveeritakse, umbes praeguse tuuma massil," kirjutasid Frelikh ja Murray-Clay.
"Põgenemise vältimiseks peavad nad seetõttu oma kasvu teatud ajal lõpule viima, kui gaasiketas on osaliselt, kuid mitte täielikult, ammendatud."
Paar tegi ettepaneku, et suurem osa gaasi kogunemisest Uraani ja Neptuuni tuumadesse langes kokku nende liikumisega päikesest. Kuid mis võiks panna nad muutma oma kodu Päikesesüsteemis?
Kena mudel
Algselt arvasid teadlased, et planeedid moodustasid päikesesüsteemi samas osas, kus nad tänapäeval elavad. Eksoplaneetide avastamine raputas asju, paljastades, et vähemalt mõned kõige massiivsemad objektid võivad rännata.
2005. aastal tegi ajakirjas Nature avaldatud kolm artiklit ettepaneku, et Uraan ja teised hiiglaslikud planeedid seotakse ringikujulistel orbiitidel palju kompaktsemalt kui praegu. Neid ümbritses suur kivide ja jäätise kettaheide, mis ulatus Maa-päikese umbes 35-kordse kauguseni Neptuuni praegusest orbiidist kaugemale. Nad nimetasid seda Nice'i mudeliks pärast Prantsusmaal asuvat linna, kus nad seda esimest korda arutasid. (Seda hääldatakse Neese.)
Kuna planeedid suhtlesid väiksemate kehadega, hajusid nad suurema osa neist päikese poole. Protsess pani nad objektidega energiat vahetama, suunates Saturni, Neptuuni ja Uraani Päikesesüsteemi kaugemale. Lõpuks jõudsid väikesed objektid Jupiterini, mis saatis nad lendama Päikesesüsteemi servale või sellest täielikult välja.
Jupiteri ja Saturni vaheline liikumine ajas Uraani ja Neptuuni veelgi ekstsentrilisemateks orbiitideks, saates paari läbi järelejäänud jäätükkide ketta. Osa materjalist viidi sissepoole, kus see hilise raske pommitamise ajal kukkus maapealsetele planeetidele. Muu materjal heideti väljapoole, luues Kuiperi vöö.
Aeglaselt väljapoole liikudes kaubitsesid Neptuun ja Uraan kohad. Lõpuks panid interaktsioonid allesjäänud prahiga paarituma ringikujulisematesse radadesse, kui nad saavutasid oma praeguse kauguse päikesest.
Mööda on võimalik, et süsteemist löödi välja üks või isegi kaks muud hiiglaslikku planeeti. Colorado Edela-uuringute instituudi astronoom David Nesvorny on varase päikesesüsteemi modelleerinud, otsides vihjeid, mis võiksid mõista selle varajast ajalugu.
"Esimestel päevadel oli Päikesesüsteem väga erinev - palju rohkem planeete, võib-olla sama massiivne kui Neptuun - moodustasid ja hajutati erinevatesse kohtadesse," rääkis Nesvorny Space.com-ile.
Ohtlik nooruk
Varane päikesesüsteem oli vägivaldsete kokkupõrgete aeg ja Uraan polnud sellest vabastatud. Kuigi nii Kuu kui ka Merkuuri pinnal on tõendeid väiksemate kivide ja asteroidide pommitamise kohta, kannatas Uraan ilmselt märkimisväärset kokkupõrget Maasuuruse protoplaneediga. Selle tagajärjel kallutatakse Uraan küljele, kusjuures üks poolus on poole aasta jooksul suunatud päikese poole.
Uraan on jäähiiglastest suurim, võib-olla osaliselt seetõttu, et ta kaotas löögi ajal osa massist.
