Кредит зображення: NASA
Якби чужорідні астрономи навколо далекої зірки вивчали молоде Сонце чотири з половиною мільярди років тому, чи могли вони бачити ознаки новоствореної Землі, яка оберталася навколо цієї нешкідливої жовтої зірки? Відповідь "так", як стверджують Скотт Кеніон (Смітсонівська астрофізична обсерваторія) та Бенджамін Бромлі (Університет штату Юта). Більше того, їх комп'ютерна модель говорить про те, що ми можемо використовувати ті самі знаки, щоб знайти місця, де зараз формуються планети розміру Землі - молоді світи, які одного дня можуть приймати власне життя.
Ключовим моментом розміщення новонароджених Земль, скажімо, Кеніон та Бромлі, є пошук не самої планети, а кільця пилу, що обертається навколо зірки, що є відбитком земної (скелястої) планети.
"Швидше за все, якщо на них є пил, є планета", - каже Кеніон.
Хороших планет важко знайти
Наша Сонячна система, що утворилася з закрученого диска газу і пилу, називається протопланетним диском, що обертається на орбіті молодого Сонця. Ті самі матеріали є у всій нашій галактиці, тому закони фізики передбачають, що інші зіркові системи формуватимуть планети подібним чином.
Хоча планети можуть бути загальними, їх важко виявити, оскільки вони занадто слабкі і розташовані занадто близько до набагато яскравішої зірки. Тому астрономи шукають планети, шукаючи непрямі докази їх існування. У молодих планетарних системах це свідчення може бути присутнім на самому диску та в тому, як планета впливає на запилений диск, з якого він формується.
Великі планети розміром Юпітера мають сильну гравітацію. Ця гравітація сильно впливає на запилений диск. Один Юпітер може очистити кільцеподібний проміжок у диску, перекрутити диск або створити концентровані прорізи пилу, які залишають візерунок на диску, як буд з човна. Наявність планети-гіганта може пояснити неспокійний зразок, який можна побачити на диску навколо 350-мільйонної зірки Веги.
З іншого боку, малі світи розміром із Землею мають слабку силу. Вони впливають на диск слабкіше, залишаючи більш тонкі ознаки своєї присутності. Замість того, щоб шукати деформації або пробудження, Кеніон і Бромлі рекомендують подивитися, щоб побачити, наскільки яскрава зоряна система на інфрачервоній (ІЧ) довжині хвилі світла. (Інфрачервоне світло, яке ми сприймаємо як тепло, - це світло з більшою довжиною хвилі та меншою енергією, ніж видиме світло.)
Зірки з запиленими дисками в ІЧ яскравіші, ніж зірки без дисків. Чим більше пилу містить зіркова система, тим яскравіше вона в ІЧ. Кеніон та Бромлі показали, що астрономи можуть використовувати ІЧ-яскравості не лише для виявлення диска, але й для того, щоб визначити, коли на цьому диску утворюється планета розміру Землі.
"Ми першими обчислили очікуваний рівень виробництва пилу та пов'язані з ним інфрачервоні надлишки, і першими продемонстрували, що наземні планети утворюють помітну кількість пилу", - говорить Бромлі.
Будівництво планет з нуля
Найпоширеніша теорія формування планети закликає будувати планети "з нуля". Згідно теорії коагуляції, невеликі шматочки скелястого матеріалу в протопланетному диску стикаються і злипаються. За тисячі років маленькі скупчення переростають у все більші та більші скупчення, як будівництво сніговика за однією жменькою снігу. Врешті-решт скелясті скупчення виростають настільки великими, що стають повноцінними планетами.
Кеніон і Бромлі моделюють процес формування планети за допомогою складної комп'ютерної програми. Вони «засівають» протопланетний диск з розміром мільярда планетомімалей за 0,6 милі (1 кілометр), все навколо навколо центральної зірки, і крокують систему вперед, щоб побачити, як планети розвиваються з цих основних інгредієнтів.
"Ми зробили моделювання максимально реалістичним і все ще завершили обчислення за розумну кількість часу", - каже Бромлі.
Вони визнали процес формування планети надзвичайно ефективним. Спочатку зіткнення між планетсималами відбуваються з низькою швидкістю, тому стикаються об'єкти мають тенденцію до злиття та зростання. На типовій відстані Земля-Сонце потрібно лише близько 1000 років, щоб 1-кілометровий об’єкт перетворився на 100-кілометрові (60-милі) об’єкти. Ще 10 000 років виробляють протопланети діаметром 600 миль, які зростають протягом додаткових 10000 років, щоб стати протопланети діаметром 1200 миль. Отже, об’єкти розміром з Місяця можуть утворюватися всього за 20 000 років.
У міру того, як планетизимали в межах диска стають більшими і масивнішими, їх сила тяжіння зростає. Як тільки деякі об'єкти досягають розміру в 600 миль, вони починають «розмішувати» інші менші об’єкти. Гравітація рогатки показує менші шматки скелі розміром з астероїдами з більшою швидкістю. Вони подорожують так швидко, що при зіткненні вони не зливаються - вони пиляться, жорстоко розбиваючи один одного. У той час як найбільші протопланети продовжують рости, решта скельних пластемасарів перемелюють один одного в пил.
"Пил утворюється прямо там, де формується планета, на однаковій відстані від своєї зірки", - каже Кеніон. В результаті температура пилу вказує, де формується планета. Пил на орбіті, подібній до Венери, буде гарячішим, ніж пил на орбіті, подібній до Землі, що дасть уявлення про відстань немовляти від її зірки.
Розмір найбільших об'єктів на диску визначає швидкість виробництва пилу. Кількість пилу досягає піку, коли утворюються протопланети на 600 миль.
"Космічний телескоп" Спітцер "повинен мати можливість виявляти такі пикові піки", - говорить Бромлі.
В даний час модель наземної планети Кеніона і Бромлі охоплює лише частину Сонячної системи, від орбіти Венери до відстані приблизно на півдорозі між Землею та Марсом. В майбутньому вони планують розширити модель, щоб охопити орбіти так само близько до Сонця, як Меркурій і настільки ж далекі, як Марс.
Вони також змоделювали формування поясу Койпера - регіону невеликих, крижаних та скелястих предметів за орбітою Нептуна. Наступним логічним кроком є моделювання утворення газових гігантів, таких як Юпітер та Сатурн.
"Ми починаємо біля країв Сонячної системи і працюємо всередину", - з усмішкою каже Кеніон. "Ми також працюємо масово. Земля в 1000 разів масивніша, ніж об’єкт поясу Койпера, а Юпітер у 1000 разів масивніший за Землю ».
"Наша кінцева мета - моделювати та розуміти формування всієї нашої Сонячної системи". За оцінками Кеніона, їх мета досягається протягом десятиліття, оскільки швидкість комп'ютера продовжує зростати, що дозволяє моделювати цілу Сонячну систему.
Це дослідження було опубліковано у випуску журналу «Астрофізичний журнал» 20 лютого 2004 року. Додаткова інформація та анімація доступні в Інтернеті за адресою http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Штаб-квартира в м. Кембридж, штат Массачусетс, Гарвард-Смітсонівський центр астрофізики - це спільна співпраця між Смітсонівською астрофізичною обсерваторією та обсерваторією Гарвардського коледжу. Вчені CfA, організовані у шість наукових підрозділів, вивчають походження, еволюцію та остаточну долю Всесвіту.
Оригінальне джерело: CfA News Release
