Bár a galaxisban a csillagokat bolygók veszik körül, a bolygók kialakulásának módja továbbra is vita tárgyát képezi. Annak ellenére, hogy saját Naprendszerünkben rengeteg világ található, a tudósok még mindig nem biztosak abban, hogyan épülnek fel a bolygók. Jelenleg két elmélet küzd a bajnok szerepéért.

Az első és legszélesebb körben elfogadott elmélet, a magakkréció, jól működik a Földhöz hasonló földi bolygók kialakulásával, de az óriásbolygók esetében problémái vannak. A második, a korong instabilitásának módszere magyarázatot adhat ezeknek az óriásbolygóknak a keletkezésére.

A tudósok továbbra is vizsgálják a Naprendszeren belüli és kívüli bolygókat, hogy jobban megértsék, melyik módszer a legpontosabb.

Kapcsolódó: Kapcsolódó: Mekkora a Föld?
Kapcsolódó: Mekkora a Föld?
Kapcsolódó: Mekkora a Föld? Milyen sebességgel kering a Föld a Nap körül?

A magakkréciós modell

Körülbelül 4,6 milliárd évvel ezelőtt a Naprendszer egy por- és gázfelhő volt, amelyet napködnek nevezünk. A gravitáció az anyagot magába omlasztotta, ahogy az forogni kezdett, így alakult ki a Nap a köd közepén.

A Nap felemelkedésével a megmaradt anyag elkezdett összecsomósodni. A kis részecskék a gravitáció ereje által összekötve nagyobb részecskékké húzódtak össze. A napszél elsöpörte a könnyebb elemeket, például a hidrogént és a héliumot a közelebbi régiókból, és csak nehéz, kőzetanyagokat hagyott hátra, amelyekből a Földhöz hasonló kisebb földi világok jöttek létre. Távolabb azonban a napszél kevésbé volt hatással a könnyebb elemekre, így azok gázóriásokká olvadhattak össze. Így jöttek létre az aszteroidák, üstökösök, bolygók és holdak.

A Föld kőzetmagja alakult ki először, ahol a nehéz elemek összeütköztek és összekapcsolódtak. A sűrű anyag a középpontba süllyedt, míg a könnyebb anyag létrehozta a kérget. A bolygó mágneses mezeje valószínűleg ebben az időben alakult ki. A gravitáció felfogta a bolygó korai légkörét alkotó gázok egy részét.

Evolúciója korai szakaszában a Földet egy nagy test becsapódása érte, amely a fiatal bolygó köpenyének darabjait az űrbe katapultálta. A gravitáció hatására ezekből a darabokból sok összeállt, és kialakította a Holdat, amely pályára állt teremtője körül.

A köpeny áramlása a kéreg alatt okozza a lemeztektonikát, a Föld felszínén lévő nagy kőzetlemezek mozgását. Az ütközések és a súrlódás hatására hegyek és vulkánok keletkeztek, amelyek elkezdtek gázokat okádni a légkörbe.

A belső Naprendszeren áthaladó üstökösök és aszteroidák populációja ma ugyan gyér, de amikor a bolygók és a Nap még fiatalok voltak, sokkal nagyobb volt a számuk. E jeges égitestek ütközései valószínűleg lerakták a Föld felszínén a víz nagy részét. Mivel a bolygó a Goldilocks-zónában van, vagyis abban a régióban, ahol a folyékony víz nem fagy meg és nem párolog el, hanem folyékony állapotban maradhat, a víz a felszínen maradt, ami sok tudós szerint kulcsszerepet játszik az élet kialakulásában.

Az exobolygó megfigyelései megerősíteni látszanak a magakkréciót, mint a domináns keletkezési folyamatot. Azoknak a csillagoknak, amelyek magjában több “fém” van – a csillagászok ezt a kifejezést a hidrogéntől és héliumtól eltérő elemekre használják -, több óriásbolygójuk van, mint fémben szegény rokonaiknak. A NASA szerint a magakkréció azt sugallja, hogy a kis, sziklás világoknak gyakoribbnak kell lenniük, mint a nagyobb tömegű gázóriásoknak.

A HD 149026 jelű napszerű csillag körül keringő, masszív maggal rendelkező óriásbolygó 2005-ös felfedezése egy olyan exobolygó példája, amely segített megerősíteni a magakkréciót.

“Ez a bolygóképződés magakkréciós elméletének megerősítése és bizonyíték arra, hogy ilyen típusú bolygóknak nagy számban kellene létezniük” – mondta Greg Henry egy sajtóközleményben. Henry, a Nashville-i Tennessee Állami Egyetem csillagásza észlelte a csillag halványodását.

Az Európai Űrügynökség 2017-ben tervezi a CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) felbocsátását, amely a szuperföldtől a Neptunuszig terjedő méretű exobolygókat fogja tanulmányozni. E távoli világok tanulmányozása segíthet meghatározni, hogyan alakultak ki a Naprendszer bolygói.

“A magakkréciós forgatókönyv szerint a bolygó magjának el kell érnie egy kritikus tömeget, mielőtt képes lenne gázakkréciót indítani” – mondta a CHEOPS csapata.

“Ez a kritikus tömeg számos fizikai változótól függ, amelyek közül a legfontosabbak közé tartozik a bolygómagok akkréciójának sebessége.”

A CHEOPS a növekvő bolygók anyagakkréciójának tanulmányozásával betekintést nyújt a világok növekedésének módjába.

A korong instabilitásának modellje

Bár a magakkréciós modell jól működik a földi bolygók esetében, a gázóriásoknak gyorsan kellett volna fejlődniük ahhoz, hogy megragadják a bennük lévő könnyebb gázok jelentős tömegét. A szimulációk azonban nem tudtak számot adni erről a gyors kialakulásról. A modellek szerint a folyamat több millió évig tart, hosszabb ideig, mint ameddig a könnyű gázok rendelkezésre álltak a korai Naprendszerben. Ugyanakkor a magakkréciós modellnek migrációs problémával kell szembenéznie, mivel a bébibolygók valószínűleg rövid idő alatt spirálisan belesodródnak a Napba.

Egy viszonylag új elmélet, a korong instabilitása szerint a por- és gázcsomók már a Naprendszer életének korai szakaszában összekapcsolódnak. Idővel ezek a csomók lassan óriásbolygóvá tömörülnek. Ezek a bolygók gyorsabban is kialakulhatnak, mint magjuk akkréciós vetélytársaik, néha akár ezer év alatt, ami lehetővé teszi számukra a gyorsan elillanó könnyebb gázok befogását. Emellett gyorsan elérik a pályájukat stabilizáló tömeget, ami megakadályozza, hogy halálmenetben a Napba vonuljanak.

Az exobolygók csillagásza, Paul Wilson szerint, ha a korong instabilitása dominál a bolygók kialakulásában, akkor nagy rendszámú világokat kellene létrehoznia. A HD 9799 csillag körül jelentős távolságban keringő négy óriásbolygó megfigyelési bizonyítékot szolgáltat a korong instabilitására. A Fomalhaut b, a csillaga körül 2000 éves pályán keringő exobolygó szintén példa lehet a korong instabilitása révén kialakult világra, bár a bolygó a szomszédaival való kölcsönhatások miatt is kilökődhetett.

Kavicsakkréció

A magakkréció legnagyobb kihívása az idő – a masszív gázóriások elég gyors felépítése ahhoz, hogy megragadják légkörük könnyebb összetevőit. A legújabb kutatás azt vizsgálta, hogy a kisebb, kavics méretű objektumok hogyan olvadtak össze, hogy akár 1000-szer gyorsabban építsenek óriásbolygókat, mint a korábbi tanulmányok.

“Ez az első olyan modell, amiről tudunk, hogy egy elég egyszerű szerkezetű napködből indulunk ki, amelyből bolygók alakulnak ki, és végül az általunk látott óriásbolygó-rendszer jön létre” – mondta a Space.com-nak 2015-ben a tanulmány vezető szerzője, Harold Levison, a coloradói Southwest Research Institute (SwRI) csillagásza.

2012-ben Michiel Lambrechts és Anders Johansen, a svédországi Lund Egyetem kutatói azt javasolták, hogy az apró kavicsok, amelyeket egyszer már leírtak, a kulcsot jelentik az óriásbolygók gyors felépítéséhez.

“Megmutatták, hogy a keletkezési folyamatból visszamaradt kavicsok, amelyekről korábban azt gondolták, hogy jelentéktelenek, valójában hatalmas megoldást jelenthetnek a bolygóképződés problémájára” – mondta Levison.

Levison és csapata erre a kutatásra építve pontosabban modellezte, hogy az apró kavicsokból hogyan alakulhatnak ki a galaxisban ma látható bolygók. Míg a korábbi szimulációk szerint a nagy és közepes méretű objektumok viszonylag állandó ütemben fogyasztották el kavics méretű rokonaikat, Levison szimulációi azt sugallják, hogy a nagyobb objektumok inkább zsarnokként viselkedtek, elragadva a kavicsokat a közepes méretű tömegektől, hogy sokkal gyorsabb ütemben növekedjenek.

“A nagyobb objektumok most hajlamosak jobban szétszórni a kisebbeket, mint ahogy a kisebbek visszaszórják őket, így a kisebbek végül kiszóródnak a kavicskorongból” – mondta a Space.com-nak a tanulmány társszerzője, Katherine Kretke, szintén a SwRI munkatársa. “A nagyobb lényegében megfélemlíti a kisebbeket, így azok maguk is megeszik az összes kavicsot, és tovább nőhetnek, hogy az óriásbolygók magját alkossák.”

Amint a tudósok folytatják a Naprendszeren belüli, valamint más csillagok körüli bolygók tanulmányozását, jobban megértik majd, hogyan alakult ki a Föld és testvérei.

Kövesse Nola Taylor Redd-et a Twitteren @NolaTRedd, a Facebookon vagy a Google+-on. Kövessen minket a @Spacedotcom, a Facebookon vagy a Google+-on.