Mimo że planety otaczają gwiazdy w galaktyce, sposób ich powstawania pozostaje przedmiotem debaty. Pomimo bogactwa światów w naszym własnym układzie słonecznym, naukowcy wciąż nie są pewni, jak powstają planety. Obecnie dwie teorie walczą o rolę mistrza.

Pierwsza i najszerzej akceptowana teoria, akrecji jądra, sprawdza się w przypadku formowania planet lądowych takich jak Ziemia, ale ma problemy z planetami olbrzymimi. The drugi, the dysk niestabilność metoda, móc konto dla the tworzenie te gigantyczny planeta.

Naukowcy kontynuują badania planet w i poza Układem Słonecznym w celu lepszego zrozumienia, która z tych metod jest najbardziej dokładna.

Powiązane: How Big is Earth?
Related: Jaka jest prędkość Ziemi wokół Słońca?

Model akrecji jądra

Prawie 4,6 miliarda lat temu, Układ Słoneczny był chmurą pyłu i gazu znaną jako mgławica słoneczna. Grawitacja zawaliła materiał na siebie, gdy zaczął się obracać, tworząc słońce w centrum mgławicy.

Wraz z powstaniem słońca, pozostały materiał zaczął się zlepiać. Małe cząstki zbliżyły się do siebie, związane siłą grawitacji, w większe cząstki. Wiatr słoneczny zmiótł lżejsze elementy, takie jak wodór i hel, z bliższych regionów, pozostawiając tylko ciężkie, skaliste materiały do stworzenia mniejszych ziemskich światów, takich jak Ziemia. Jednak dalej, wiatr słoneczny miał mniejszy wpływ na lżejsze pierwiastki, pozwalając im łączyć się w gazowe olbrzymy. W ten sposób powstały asteroidy, komety, planety i księżyce.

Skaliste jądro Ziemi uformowało się jako pierwsze, z ciężkimi elementami zderzającymi się i wiążącymi ze sobą. Gęsty materiał zapadł się do centrum, podczas gdy lżejszy materiał utworzył skorupę. Pole magnetyczne planety prawdopodobnie uformowało się mniej więcej w tym czasie. Grawitacja przechwyciła część gazów, które tworzyły wczesną atmosferę planety.

Wcześniej w swojej ewolucji, Ziemia doznała uderzenia przez duże ciało, które katapultowało kawałki płaszcza młodej planety w przestrzeń. Grawitacja spowodowała, że wiele z tych kawałków zbliżyło się do siebie i utworzyło Księżyc, który objął orbitę wokół swego stwórcy.

Przepływ płaszcza pod skorupą powoduje tektonikę płyt, ruch dużych płyt skalnych na powierzchni Ziemi. Zderzenia i tarcie dały początek górom i wulkanom, które zaczęły wyrzucać gazy do atmosfery.

Ale populacja komet i asteroid przechodzących przez wewnętrzny Układ Słoneczny jest dziś nieliczna, były one bardziej obfite, gdy planety i Słońce były młode. Kolizje z tych lodowych ciał prawdopodobnie zdeponowały znaczną część ziemskiej wody na jej powierzchni. Ponieważ planeta znajduje się w strefie Goldilocksa, regionie, w którym woda w stanie ciekłym ani nie zamarza, ani nie paruje, ale może pozostać w stanie ciekłym, woda pozostała na powierzchni, co zdaniem wielu naukowców odgrywa kluczową rolę w rozwoju życia.

Obserwacje egzoplanet wydają się potwierdzać akrecję jądra jako dominujący proces formowania. Gwiazdy z większą ilością „metali” – termin, którego astronomowie używają dla pierwiastków innych niż wodór i hel – w swoich rdzeniach mają więcej olbrzymich planet niż ich ubodzy w metale kuzyni. Według NASA, akrecja rdzenia sugeruje, że małe, skaliste światy powinny być bardziej powszechne niż bardziej masywne gazowe olbrzymy.

Odkrycie w 2005 roku olbrzymiej planety z masywnym jądrem krążącej wokół podobnej do Słońca gwiazdy HD 149026 jest przykładem egzoplanety, która pomogła wzmocnić argumenty za akrecją rdzenia.

„Jest to potwierdzenie teorii akrecji rdzenia dla formowania się planet i dowód na to, że planety tego typu powinny istnieć w dużej ilości” powiedział Greg Henry w komunikacie prasowym. Henry, astronom z Tennessee State University w Nashville, wykrył przyciemnienie gwiazdy.

W 2017 roku Europejska Agencja Kosmiczna planuje wystrzelenie satelity CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS), który będzie badał egzoplanety o rozmiarach od super-Ziemi do Neptuna. Studiowanie tych odległych światów może pomóc w ustaleniu, jak uformowały się planety w Układzie Słonecznym.

„W scenariuszu akrecji jądra, jądro planety musi osiągnąć masę krytyczną, zanim będzie w stanie akreować gaz w sposób ucieczkowy”, powiedział zespół CHEOPS.

„Ta masa krytyczna zależy od wielu fizycznych zmiennych, wśród których najważniejszą jest tempo akrecji planetesimals.”

Badając jak rosnące planety akreują materiał, CHEOPS zapewni wgląd w to, jak rosną światy.

Model niestabilności dysku

Ale model akrecji jądra sprawdza się w przypadku planet ziemskich, gazowe olbrzymy musiałyby szybko ewoluować, aby uchwycić znaczną masę lżejszych gazów, które zawierają. Jednak symulacje nie były w stanie uwzględnić tego szybkiego powstawania. Według modeli, proces ten trwa kilka milionów lat, czyli dłużej niż lekkie gazy były dostępne we wczesnym Układzie Słonecznym. W tym samym czasie model akrecji jądra napotyka na problem migracji, ponieważ małe planety prawdopodobnie będą spiralnie zbliżać się do Słońca w krótkim czasie.

Zgodnie ze stosunkowo nową teorią, niestabilności dysku, grudki pyłu i gazu są związane razem we wczesnym okresie życia Układu Słonecznego. Z czasem, te grudki powoli zagęszczają się w olbrzymie planety. Planety te mogą formować się szybciej niż ich rywale w akrecji jądra, czasami nawet w ciągu tysiąca lat, co pozwala im na wychwytywanie szybko znikających lżejszych gazów. One również szybko osiągają orbitę-stabilizującą masę, która utrzymuje je od śmierci-marszu do Słońca.

Według astronoma egzoplanetarnego Paula Wilsona, jeśli niestabilność dysku dominuje w formowaniu się planet, powinna ona produkować szeroką liczbę światów przy dużych zamówieniach. Cztery olbrzymie planety orbitujące w znacznych odległościach wokół gwiazdy HD 9799 dostarczają obserwacyjnych dowodów na niestabilność dysku. Fomalhaut b, egzoplaneta o trwającej 2000 lat orbicie wokół swojej gwiazdy, również może być przykładem świata powstałego w wyniku niestabilności dysku, choć planeta mogła również zostać wyrzucona w wyniku oddziaływań z sąsiadami.

Akrecja kamykowa

Największym wyzwaniem dla akrecji jądra jest czas – budowanie masywnych gazowych olbrzymów wystarczająco szybko, aby pochwycić lżejsze składniki ich atmosfery. Najnowsze badania nad tym, jak mniejsze, wielkości kamyków obiekty stopiły się ze sobą, aby zbudować gigantyczne planety do 1000 razy szybciej niż wcześniejsze badania.

„To pierwszy model, o którym wiemy, że zaczynasz z całkiem prostą strukturą dla mgławicy słonecznej, z której tworzą się planety, a kończysz z układem gigant-planeta, który widzimy”, główny autor badania Harold Levison, astronom w Southwest Research Institute (SwRI) w Kolorado, powiedział Space.com w 2015 roku.

W 2012 roku badacze Michiel Lambrechts i Anders Johansen z Uniwersytetu Lund w Szwecji zaproponowali, że maleńkie kamyki, raz spisane na straty, trzymały klucz do szybkiego budowania gigantycznych planet.

„Pokazali oni, że resztki kamyków z tego procesu formowania, które wcześniej były uważane za nieistotne, mogą w rzeczywistości być ogromnym rozwiązaniem problemu planetotwórczego”, powiedział Levison.

Levison i jego zespół oparli się na tych badaniach, aby dokładniej wymodelować, w jaki sposób malutkie kamyki mogłyby tworzyć planety widoczne dziś w galaktyce. Podczas gdy w poprzednich symulacjach, zarówno duże jak i średnie obiekty pochłaniały swoich kuzynów wielkości kamyków w stosunkowo stałym tempie, symulacje Levisona sugerują, że większe obiekty działały bardziej jak łobuzy, wyrywając kamyki z mas średniej wielkości, aby rosnąć w znacznie szybszym tempie.

„Większe obiekty mają teraz tendencję do rozpraszania mniejszych bardziej niż te mniejsze rozpraszają je z powrotem, więc te mniejsze w końcu zostają rozproszone z dysku kamyków,” współautorka badania Katherine Kretke, również z SwRI, powiedziała Space.com. „Większy facet w zasadzie znęca się nad mniejszym, więc mogą zjeść wszystkie kamyki same, i mogą nadal rosnąć, tworząc rdzenie gigantycznych planet.”

Jak naukowcy kontynuują badania planet wewnątrz Układu Słonecznego, jak również wokół innych gwiazd, będą lepiej rozumieć, jak Ziemia i jej rodzeństwo uformowało się.

Śledź Nola Taylor Redd na Twitterze @NolaTRedd, Facebooku lub Google+. Śledź nas na @Spacedotcom, Facebook lub Google+.