Teorije o nastanku planeta

Preuzeto iz Astronomskog magazina 

Osamdesetih godina proslog veka, astromoni su u infracrvenom delu spektra otkrili nekolicinu zvezda koje su okružene diskovima prašine prečnika od stotinu astronomskih jedinica. To je zaintrigiralo naučnike i, proučavanje tih zvezda se, naravno, nastavilo…

Pretpostavlja se da su ovi ravni diskovi sastavljeni od pračine u kojima su se formirale zvezde ili su još uvek u procesu nastajanja. Smatra se da su diskovi stari oko 10 miliona godina i da je to uobičajeni deo svakog planetarnog sistema. Može se reći da je u Sunčevom sistemu to Kajperov pojas u kome su sakupljeni “ostaci” formiranja našeg planetarnog sistema.

Kako nastaju planetarni sistemi?

Niko više nije siguran da je Sunčev sistem nastao na standardan način. Zapravo, proučavanjem vansolarnih planeta ustanovljeno je da više od 80 planeta živi u drugačijim sistemima. Njihove mase su veće od Jupiterove i orbite su im uglavnom jako blizu zvezde domaćina što ih čini neprikladnim za razvitak i opstanak života. Međutim, mnogi naučnici ovakva otkrića pripisuju ograničenoj tehnologiji. Još uvek ne postoji nijedan način za otkriše manjih planeta sa “normalnim” orbitama…

Prilikom gravitacionog sažimanja međuzvezdane materije, odnosno gasa i prašine održava se ugaoni momenat koji dovodi do toga da se od gasa i prašine formira ravan disk (tzv. “proplyd”- protoplanetarni disk) oko centralnog dela, tj. buduće zvezde. Rotacijom i magnetnim poljem u centralnom delu, odnosno u protozvezdi koncentriše se najveći deo mase materije koja formira zvezdu, dok disku ostaje ugaoni momenat, jer sažimanjem, disk sve brže rotira.

Održanje ugaonog momenta se može pokazati i na ovozemaljskom primeru. Recimo, čovek koji se kliza na ledu sporije se vrti ako su mu ruke raširene, ali čim počne da spušta ruke uz telo njegova ugaona brzina se povećava, odnosno klizač će se vrteti sve brže, zahvaljujući ugaonom momentu koji se održava.

U ovom procesu kolapsa međuzvezdane materije prečnik oblaka koji se sažima smanji se za red veličine više od 100 miliona. Smatra se da je pre otprilike 4,5 milijardi godina, odnosno u pepiodu formiranja Sunčevog sistema, njegov protoplanetarni disk imao prečnik nešto manji od 100 AJ (15 000 miliona km) i masu od svega nekoliko procenata Sunčeve mase.

Pretpostavlja se da je prosečni životni vek protoplanetarnih diskova reda veličine par miliona godina. Nasuprot tome, vreme koje je potrebno da se formira jedna džinovska planeta iznosi nesto manje od 10 miliona godina, dok je planetama Zemljinog tipa potrebno jos više vremena.

Kako vreme prolazi, odigrava se proces koji još nije u potpunosti proučen. U disku se prašina i led (za koji ne mora da znači da je sastavljen od vode) međusobno ujedinjuju čineci semena za buduće planete. U spoljašnjim delovima diska, kada takva protoplaneta dostigne zadovoljavajuću masu (desetak puta veću od Zemljine), ona svojim gravitacionionim uticajem sakuplja gas oko sebe. Tako nastaju džinovske gasovite planete poput Jupitera, i to u spoljašnjim delovima zvezdanog sistema. Njihova veličina zavisi od količine prisutnog gasa u tom delu diska koje protoplanete privlače.

Kasnije se, u unutrašnjim delovima diska, gde je temperatura previsoka i gde nema leda, silikatne čestice ujedinjuju i stvaraju planete poput Zemlje. Teški metali i silikatna jedinjenja odolevaju visokim temperaturama u blizini zvezde. Suprotno tome, lako isparljive čestice mogu preživeti samo u spoljašnjim delovima diska. Zato u spoljašnjim delovima i nastaju gasovite planete. Preživele čestice se ujedinjuju i vremenom nastaje protoplaneta, koja će takođe vremenom početi da dominira maglinom privlačeći okolne gasove i prašinu svojom gravitacijom.

Međutim, ne mora da znači da će od grumena međuzvezdane materije nastati planeta. Protoplaneta svojim formiranjem prolazi kroz fazu kada je veličine komete ili asteroida. Takvo nebesko telo može, a i ne mora nastaviti sa “rastom” u planetu, tako da ostaje u obliku malog tela. I u Sunčevom sistemu postoji čitav pojas malih tela tj. asteroida koji nisu formirali planetu.

Problemi u teorijama o planetarnoj evoluciji

Ono što je interesantno jeste to kako planete poput vrelih Jupitera mogu imati putanju blizu zvezde. Takve planete se blizu zvezde ne mogu formirati iz više razloga. Zbog blizine zvezde temperatura je previsoka tako da nema kondenzacije. U tom delu diska nema dovoljno čvrste materije za izgradnju planetarnog jezgra veličine 10 Zemljinih masa. Nema dovoljno gasa za formiranje gasovitog omotača i planeta bi morala da završi sa formacijom za manje od 3 miliona godina.

Procenjuje se da je planeta oko zvezde Beta Pictoris oko 10 puta veća od Zemlje i da je od zvezde udaljena oko 6.5 milijardi km, planeta oko Epsilon Eridani je 0.2 Jupiterove mase i od zvezde domaćina je udaljena oko 5.5 milijardi km, dok je planeta oko Vege duplo masivnija od Jupitera na udaljenosti od 5 milijardi km od nje.

Još ‘80-tih godina je ustanovljeno da džinovska planeta koja se formira u spoljašnjim delovima diska može migrirati ka unutrašnjem delu diska pod uticajem gravitacije, koji bi mogao da uzrokuje ili orbitalna migracija ili gravitacioni uticaj drugih zvezdinih pratilaca. To objašnjava bliskost džinovskih planeta sa svojim zvezdastim domaćinima. No, i tu postoje problemi. Nije ustanovljeno kako se planeta povučena gravitacijom oduprire padanjem u samu zvezdu. Skorašnja posmatranja ukazuju na to da planete, u stvari, bivaju pojedene od strane zvezde domaćina. Evo o čemu je reč. Detektovano je prisustvo izotopa 6Li u planeti HD 82943. Ovaj krhki izotop se razara na 1.6 miliona stepeni, sto znači u da toku poslednjih stadijuma formiranja zvezde već nestaje. Ovaj izotop ne bi trebao da postoji u zvezdama, ali zato ulazi u sastav planeta, tako da je najjednostavniji i najlogičniji zaključak taj da je u nju tokom njenog života bivao povučen nekakav planetarni materijal (bilo od jedne ili više planeta). Zvezda HD 82943 je udaljena 89 svetlosnih godina, što je daleko za proučavanje. Međutim, veruje se da ima još exoplaneta sa ovakvim osobinama, jer bi litijum trebao da bude sastavni deo planeta.

Druga zbunjujuća stvar je pitanje ekscentriteta putanja exoplaneta. Dok su putanje planeta Sunčevog sistema gotovo kružne, putanje detektovanih exoplaneta su u većini slučajeva poprilično ekscentrične. Smatralo se da planeta ne može imati ekscentričnu putanju, jer ce u svakom slucaju težiti da od elipsaste napravi kružnu putanju. Jedno rešenje može biti da je ekscentričnost posledica interakcije između planeta u višeplanetarnim sistemima ili sa nekim udaljenim zvezdinim pratiocem. 

Naučnici Kortenkamp, George Wetherill and Satoshi Inaba (Carnegie Institution of Washington) su uradili kompjutersku simulaciju koja govori o tome da je uobičajena teorija o nastanku i formiranju planetarnih sistema primenljiva i na dvojne zvezde, odnosno na zvezdu i neko drugo nebesko telo. Naime, gravitacija zvezde ili veće planete povlači mala tela, tj. asteroide izazivajući sudare i nastanak planetoida od kojih nastaju nove planete (koje bi mogle biti Zemljinog tipa). Da bi ova teorija funkcionisala procenjena je udaljenost od 1 000 AJ između članova dvojnog sistema. Mnogi naučnici su sumnjali u mogućnosti da usamljena zvezda oko sebe može formirati planetarni sistem. Međutim, gruba procena kaže da je pola zvezda za koje mislimo da su usamljene u stvari dvojni sistemi. Ako je to tačno, onda u svemiru mora postojati mnogo više planeta Zemljinog tipa, no što je ranije pretpostavljano.

Proučavanjem drugih sistema, pronalazi se sve više “rupa” u teoriji o nastanku našeg planetarnog sistema. Na primer, kako to da je Jupiter tako velik? Zatim, zašto i kako Uran i Neptun uopšte postoje? Kompjuterskom simulacijom predstavljeno je formiranje Sunčevog sistema i ispostavilo se da u toj simulaciji Uran i Neptun nedostaju. 1999. godine pretpostavljeno je da su te planete možda nastale blize Suncu, ali da su gravitacionim uticajem Jupitera i Saturna isterane u spoljašnje krajeve sistema. Jedino u čemu se najveći deo naučnika slaže jeste to da su unutrašnje planete nastale na standardan način. Prema standardnoj teoriji oko Sunca u njegovom nastanku postojao je disk prašine, odnosno protoplanetarni disk. U periodu na desetine hiljada godina čestice prašine su se gravitaciono privlačile i formirale sve veća i veća tela, stvarajući miijarde planetezimala. Njihovim spajanjem nakon miliona godina nastale su unutrašnje planete, zemljolike planete: Merkur, Venera, Zemlja i Mars. Teorijski, za nastanak Jupitera bio je potreban planetoid 10 puta veći od Zemlje koji bi sakupljao gas u periodu od 10 miliona godina. To bi značilo da Jupiter ima čvrsto jezgro što još nije dokazano. No, to je samo jedan od teorija o nastanku Jupitera.

Sve u svemu, novootkriveni planetarni sistemi i nemaju mnogo toga zajedničkog sa našim Sunčevim sistemom. Pre svega, uglavnom imaju po jednu detektovanu planetu koja orbitira oko zvezde, ponekad i više, ali još uvek nije detektovano devet planeta u nekom zvezdanom sistemu kao što je slučaj u našem sistemu. Većina exoplaneta su dosta masivnije od Jupitera, na putanjama blizu zvezde, i često ekscentričnim, dok su putanje planeta u Sunčevom sistemu u gotovo istoj ravni i više kružne.

U našoj galaksiji postoji 300 milijardi zvezda. Grubo rečeno, oko 10% su Sunčevog tipa. Od tih 10% mogućnosti su bukvalno od 5% - 100% za postojanje planeta Jupiterovog tipa. Sve ovo govori da je tražena cifra više od 30 milijardi mogućih planeta Jupiterovog tipa.

Važnije pitanje jeste: A gde su planete Zemljinog tipa?

Najjednostavnija pretpostavka jeste da je zemljolikih planeta priblizno isti broj kao i planeta Jupiterovog tipa. Međutim, ako se u zemljolike planete ubrajaju planete koje lice na Merkur, Veneru ili Mars, onda bi ovakvih planeta bilo više od planeta Jupiterovog tipa. Ako se terminom “zemljolike planete” misli na planetu na kojima između ostalog ima vode, pre svega tečne, onda je mnogo teže čak i nemoguće napraviti dobru pretpostavku.

Vrlo je moguće da će se prva planeta Zemljinog tipa otrkriti u nekom dvojnom sistemu. Naime, ako se nađe zvezdani sistem koji orbitira u našoj ravni pogleda, odnosno ako je male inklinacije, i ako i planeta revoluira u toj ravni, onda ju je moguće detektovati metodom okultacije (transit method), odnosno fotometrijom.

Pre svega, exoZemlja bi se morala nalaziti na mestu gde vladaju uslovi slični Zemljinim. To je tzv. “habitable” zona. U tom regionu temperatura ne bi trebala da bude ni previsoka niti preniska, već sasvim onakva kakva je potrebna za razvitak života. Temperatura povlači za sobom i to da planeta ne bi smela da bude blizu zvezde domaćina, kao što je u našem sistemu to slučaj sa Venerom, a ni predaleko, kao sto je Pluton daleko. Uslovi za život zavise i od temperature same zvezde domaćina. Planeti je potrebna stabilna i ustaljena klima, odgovarajući hemijski sastav i magnetno polje koje ima ulogu da štiti planetu od štetnog zračenja iz svemira. I naravno, da bi uopšte opstao život na takvoj exoZemlji potreban joj je veliki brat, kao što je Zemlji Jupiter koji rasteruje razne “uljeze” koji prete da udare u Zemlju. Jupiter svojom gravitacijom sve lutajuće objekte skreće privlačeći ih sebi.

Šanse da druga zemlja ne postoji su veoma male, čak neverovatne. Takav pronalazak još nije ostvaren, pre svega zbog nedovoljno dobro razvijene tehnologije, kao i nedovoljno dugog traganja.

Sve u svemu, otkrivene planete i braon patuljasti pratioci zvezda (o njima će biti reči kasnije) čine sisteme drugačijeg fizičkog porekla. Smatra da su zvezde, čak i one sa malom masom, nastale gravitacionim kolapsom i fragmentacijom oblaka prašine i gasa, dok su planete nastale u rotirajućem akrecionom disku. Mogućnost nastanka braon patuljaka u disku je vrlo mala zbog nedovoljne mase u disku koja je potrebna za stvaranje braon patuljaka.

HST je snimio izvestan broj slika protoplanetarnih diskova u Orionovoj maglini, što ukazuje na to da su ovakvi diskovi česta pojava oko zvezda Sunčevog tipa, a samim tim i na to da pojavu extrasolarnih planeta treba smatrati sasvim uobičajenom.

Ovakva misao je do skora bila čista naučna fantastika. Exoplanetarni sistemi utekli su detekciji sve do ‘90-tih godina prošlog veka. Razlog toga je sledeći. Planete su tamna hladna tela čiji se sjaj sastoji samo od refleksije svetlosti sa zvezde oko koje kruže. Odnos luminoznosti planete i zvezde je reda veličine 10-9. Posmatrano sa udaljenosti od par parseka, planetu je više nego nemoguće uočiti. To znači da se one ne mogu detektovati direktno, u vidljivom delu spektra, jer na primer, na snimku neke zvezde, pored difrakcije i aberacije zvezdane svetlosti, planete su samo jedna međutačkica, a da ne spominjemo koliko bi trebalo vremena da se skupi značajan broj fotona reflektovanih sa planete…