Нахил Урана по суті має планету, яка обертається навколо Сонця на його боці, вісь його спіна майже вказує на Сонце.
(Зображення: © NASA та Еріх Каркошка, штат Арізона)
Хоча планети оточують зірки в галактиці, те, як вони утворюються, залишається предметом дискусій. Незважаючи на багатство світів у нашій власній Сонячній системі, вчені досі не впевнені, як будуються планети. Наразі дві теорії розкривають це на роль чемпіона.
Перше і найбільш широко прийняте, основне нарощення, добре працює з формуванням земних планет, але має проблеми з планетами-гігантами, такими як Уран. Другий, метод нестабільності диска, може пояснювати створення гігантських планет.
"Те, що відокремлює крижаних гігантів від газових гігантів, - це історія їх формування: під час зростання ядра колишній ніколи не перевищував [критичну масу] у повному газовому диску", - писали дослідники Рената Фрелих та Рут Мюррей-Клей у дослідницькій роботі.
Основна модель нарощування
Приблизно 4,6 мільярда років тому Сонячна система являла собою хмару пилу та газу, відому як сонячна туманність. Гравітація обвалила матеріал на собі, коли він почав крутитися, утворюючи сонце в центрі туманності.
З виходом сонця матеріал, що залишився, почав збиватися. Дрібні частинки об'єднуються, пов'язані силою тяжіння, у більші частинки. Сонячний вітер змітав більш легкі елементи, такі як водень та гелій, з ближчих регіонів, залишаючи лише важкі, скелясті матеріали для створення земних світів. Але чим далі, сонячні вітри мали менший вплив на більш легкі елементи, що дозволяло їм злитися в газові гіганти, такі як Уран. Таким чином були створені астероїди, комети, планети та місяці.
На відміну від більшості газових гігантів, Уран має ядро, яке є скелястим, а не газоподібним. Ядро, ймовірно, сформувалося спочатку, а потім зібрало водень, гелій та метан, що складають атмосферу планети. Тепло з ядра керує температурою та погодою Урана, перемагаючи тепло, що виходить від далекого сонця, яке знаходиться майже на 2 мільярди миль.
Деякі спостереження за екзопланетою, здається, підтверджують нарощування ядра як домінуючого процесу формування. Зірки з більшою кількістю «металів» - термін, який астрономи використовують для інших елементів, крім водню та гелію, - у своїх ядрах є більше планет-гігантів, ніж їхні бідні двоюрідні родичі. За даними NASA, основне нарощування говорить про те, що малі, скелясті світи мають бути більш поширеними, ніж більш масивні газові гіганти.
Відкриття в 2005 році гігантської планети з масивним ядром, що обертається навколо орбіти зірки HD 149026, яка є сонцем, є прикладом екзопланети, що сприяло посиленню справи з нарощуванням ядра.
"Це підтвердження основної теорії нарощування планет для формування планет і доказ того, що таких планет має існувати в достатку", - заявив Грег Генрі у прес-релізі. Генрі, астроном Державного університету штату Теннессі, Нешвілл, виявив затемнення зірки.
У 2017 році Європейське космічне агентство планує запустити характеризуючий супутник ExOPlanet (CHEOPS), який вивчатиме екзопланети розміром від супер-Землі до Нептуна. Вивчення цих далеких світів може допомогти визначити, як формуються планети Сонячної системи.
"За основним сценарієм нарощування ядро планети повинно досягти критичної маси, перш ніж вона зможе виділяти газ утеченим способом", - сказала команда CHEOPS. "Ця критична маса залежить від багатьох фізичних змінних, серед найважливіших з яких є швидкість нарощування планетсималів".
Вивчаючи, як зростаючі планети накопичують матеріал, CHEOPS дозволить зрозуміти, як ростуть світи.
Модель нестабільності диска
Але потреба у швидкому формуванні для гігантських газових планет є однією з проблем основного нарощування. За моделями, процес займає кілька мільйонів років, довше, ніж світлові гази були доступні в ранній Сонячній системі. У той же час основна модель вирощування стикається з проблемою міграції, оскільки дитячі планети, швидше за все, скручуються на сонце за короткий проміжок часу.
"Планети-гіганти формуються дуже швидко, за кілька мільйонів років", - розповів Spacevin Кевін Уолш, дослідник Південно-Західного науково-дослідного інституту в Боулдері, штат Колорадо. "Це створює обмеження в часі, оскільки газовий диск навколо Сонця триває лише від 4 до 5 мільйонів років".
Згідно відносно нової теорії, нестабільність диска, скупчення пилу та газу пов'язані між собою на початку життя Сонячної системи. З часом ці скупчення повільно ущільнюються на планету-гігант. Ці планети можуть утворюватись швидше, ніж їх основні суперники з нагромадження, іноді лише за тисячу років, що дозволяє їм потрапити в пастку швидко зникаючих легших газів. Вони також швидко досягають стабілізуючої орбіти маси, що не дає їм смерті рухатися на сонце.
Оскільки вчені продовжують вивчати планети всередині Сонячної системи, а також навколо інших зірок, вони краще зрозуміють, як формувався Уран та його побратими.
Гальковий наріст
Найбільший виклик основним нагромадженням є час - створення величезних газових гігантів досить швидко, щоб захопити легші компоненти їх атмосфери. Нещодавні дослідження того, як менші об'єкти розміром з галькою зрослися разом для створення гігантських планет у 1000 разів швидше, ніж попередні дослідження.
"Це перша модель, про яку нам відомо, що ви починаєте з досить простої структури сонячної туманності, з якої формуються планети, і закінчуєте систему планети-гіганта, яку ми бачимо", - головний автор дослідження Гарольд Левісон, астроном в Південно-західному науково-дослідному інституті (SwRI) у Колорадо, розповів Space.com у 2015 році.
У 2012 році дослідники Міхель Ламбрехтс та Андерс Йохансен із Лундського університету у Швеції запропонували, щоб крихітні камінчики, колись списані, були ключем до швидкого побудови гігантських планет.
"Вони показали, що залишки камінчиків цього процесу формування, які раніше вважалися неважливими, насправді можуть бути величезним рішенням проблеми формування планети", - сказав Левісон.
Левісон та його команда побудували на цьому дослідженні для більш точного моделювання того, як крихітні камінчики могли утворювати планети, бачені сьогодні в галактиці. У той час як попередні симуляції як великі, так і середні об'єкти споживали своїх двоюрідних братів з великою галькою з відносно постійною швидкістю, імітація Левісона дозволяє припустити, що більші предмети діяли більше як хулігани, викрадаючи камінчики з маси середнього розміру, щоб рости набагато швидше ставка.
"Більш великі об'єкти, як правило, розкидають менші, ніж менші, розкидають їх назад, тому менші в кінцевому підсумку отримують розкидання з галькового диска", - розповіла Space.com співавтор дослідження Кетрін Кретке, також від SwRI. . "Більш великий хлопець в основному знущається над меншим, щоб вони могли їсти всі камінчики, і вони можуть продовжувати рости, утворюючи ядра планет-гігантів".
Гальковий наріст швидше спрацює для планет-гігантів, ніж для земних світів. За словами Шона Реймонда, французького університету Бордо, це тому, що "камінчики" трохи більше і набагато простіше провести повз снігову лінію, уявну лінію, де газ досить холодний, щоб стати льодом.
"Що стосується камінчиків, то, безумовно, трохи краще бути просто повз снігової лінії", - сказав Раймонд для Space.com.
Хоча галькове нарощення добре працює для газових гігантів, для льодових гігантів є певні проблеми. Це тому, що частинки розміром від міліметра до сантиметра виділяються надзвичайно ефективно.
"Вони нагромаджуються настільки швидко, що важко для лід-гігантських стрижнів існують приблизно їх поточні маси ядра протягом значної частки життя диска, накопичуючи газову оболонку", - писали Фреліх та Мюррей-Клей.
"Щоб уникнути втікання, вони повинні завершити своє зростання в певний час, коли газовий диск частково, але не повністю виснажений".
Пара запропонувала, що більшість газів, що надходять на ядра Урана та Нептуна, збігалися з їх віддаленням від сонця. Але що може змусити їх змінити свій будинок у Сонячній системі?
Приємна модель
Спочатку вчені вважали, що планети формуються в тій же частині Сонячної системи, в якій вони живуть сьогодні. Відкриття екзопланет сколихнуло речі, виявивши, що принаймні деякі найбільш масивні об'єкти можуть мігрувати.
У 2005 році тріо статей, опублікованих у журналі Nature, запропонувало, щоб Уран та інші планети-гіганти були пов'язані на майже кругових орбітах набагато компактнішими, ніж вони є сьогодні. Великий диск скель і льодів оточував їх, простягаючись приблизно в 35 разів більше відстані Земля-Сонце, трохи більше поточної орбіти Нептуна. Вони назвали це моделлю Ніцци після міста Франції, де вони вперше обговорили її. (Це вимовляється Ніс.)
Коли планети взаємоділи з меншими тілами, вони розсіяли більшість із них до сонця. Цей процес змусив їх торгувати енергією з предметами, відсилаючи Сатурн, Нептун та Уран далі в Сонячну систему. Врешті-решт дрібні предмети дійшли до Юпітера, який відправив їх летіти до краю Сонячної системи або зовсім з неї.
Рух між Юпітером і Сатурном загнало Урана і Нептуна на ще більш ексцентричні орбіти, посилаючи пару через решту диска льодів. Частина матеріалу була закинута всередину, де вона врізалась у земні планети під час пізньої важкої бомбардування. Інший матеріал був викинутий назовні, створюючи пояс Койпера.
Коли вони повільно рухалися назовні, Нептун та Уран торгували місцями. Врешті-решт, взаємодія з залишками, що залишилися, призвело до того, що пара осіла в більш круглі шляхи, коли вони досягли своєї поточної відстані від сонця.
Попутно можливо, що одну або навіть дві інші планети-гіганти вигнали із системи. Астроном Девід Несворні з Південно-Західного науково-дослідного інституту в Колорадо моделював ранню Сонячну систему в пошуках підказок, які могли б призвести до розуміння її ранньої історії.
"У перші дні Сонячна система була дуже різною. З багатьма планетами, можливо, такими ж масивними, як Нептун, утворюючи та розкидаючись у різні місця", - сказав Несворний для Space.com.
Небезпечна молодь
Рання Сонячна система була часом жорстоких зіткнень, і Уран не звільнявся. Поки поверхня Місяця та Меркурія свідчить про обстріли меншими скелями та астероїдами, Уран, очевидно, зазнав значного зіткнення з протопланетою розміру Землі. В результаті Уран перекидається на бік, один полюс спрямований на сонце протягом півроку.
Уран - найбільший з крижаних гігантів, можливо, частково тому, що він втратив частину своєї маси під час удару.
