Kas Visatoje gyvena? III dalis

Pirmose dviejose dalyse papasakojau apie Visatą, galaktikas, Galaktiką, žvaigždes ir jų evoliuciją. Iki daugmaž pilno kosminių objektų sąrašo liko parašyti apie planetas bei planetėles, asteroidus ir visokias kosmines šiukšles, kurių visur pilna. Būtent apie tai šioje dalyje ir galėsite perskaityti.

Taigi, planetos. Kaip užsiminiau kalbėdamas apie žvaigždes, iš principo didelio skirtumo tarp mažos masės žvaigždžių (rudųjų nykštukių) ir didelės masės planetų (vadinamų super-Jupiteriais) nėra. Vienintelis skirtumas – būtent ta masė, dėl kurios dujų telkinyje arba gali prasidėti termobranduolinės reakcijos (= žvaigždė), arba negali (= planeta). Viršutinė planetų masės riba yra maždaug 13 Jupiterio masių.


Štai taip dailininkas įsivaizduoja protoplanetinį diską aplink žvaigždę. Aplink matyti įvairūs dujų telkiniai – molekulinio debesies liekanos.

Visgi egzistuoja dar vienas skirtumas tarp žvaigždžių ir planetų. Tai – formavimasis. Kaip gal netyčia atsimenate, žvaigždės formuojasi kolapsuojant molekuliniams debesims. Kai žvaigždė daugmaž susiformuoja, aplink ją esantys debesies likučiai lieka gravitaciškai „prikibę“ prie žvaigždės, bet ant jos nukristi negali dėl per didelio sukimosi momento – dydžio, parodančio koks „sukimosi kiekis“ yra tose dujose. Gravitacinėse sistemose sukimosi momentas, panašiai kaip energija, yra tvarus dydis, taigi jis šiaip sau pranykti negali – jei dujos priartėja prie sistemos masės centro, jos ima suktis greičiau. Kažkokiu atstumu nuo žvaigždės sukimosi greitis tampa lygus apskritiminio judėjimo greičiui ir dujos ima judėti daugmaž apskrita trajektorija. Tų dujų yra daug, todėl veikiant įvairiems procesams jos sukrenta į platų žiedą aplink žvaigždę, vadinamą akreciniu disku. „Akrecija“ yra protingas žodis, reiškiantis materijos kritimą ant dangaus kūno (dažniausiai dėl gravitacijos, bet ją gali sukelti ir šiluminiai ar magnetiniai efektai). Toks diskas, besidriekiantis nuo kelių šimtųjų iki kelių šimtų astronominių vienetų, paprastai yra labai masyvus – jo masė kartais būna netgi didesnė už centrinės žvaigždės masę. Šiame diske ir formuojasi planetos.

Norėčiau planetų formavimąsi aprašyti detaliau ir konkrečiau, tačiau to padaryti negaliu, nes šiuo metu egzistuoja dvi su puse gana skirtingos teorijos, kurių kiekviena turi savų pliusų ir minusų. Taigi galiu tik jas trumpai pristatyti, primindamas, kad į kiekvieną jų reikia žiūrėti kritiškai ir netikėti, kad viskas yra tikrai taip – apie planetų formavimąsi žinome kur kas mažiau, nei apie žvaigždžių ar galaktikų, kaip bebūtų keista. Taigi pirmoji ir seniausia teorija yra vadinamoji „šerdies surinkimo“ („core assembly“) teorija. Ji teigia, kad akreciniame protoplanetiniame diske, daugmaž ties jo vidurio plokštuma, ima kondensuotis sunkūs elementai, kurie virsta dulkėmis (t.y. gerokai didesnėmis dalelėmis, nei dujų atomai ar molekulės). Tos dulkės po truputį sulimpa tarpusavyje, kol pasiekia kelių mikrometrų dydžius. Tada tokie miniatiūriniai akmenukai ima daužytis vieni į kitus. Šioje vietoje yra silpniausia teorijos grandis – tam, kad ji veiktų, reikia, jog akmenukai besidaužydami dažniau suliptų į didesnius nei subyrėtų į smulkesnius. Tačiau jei kada bandėte trenkti vieną akmenį į kitą taip, kad jie suliptų, turbūt žinote, kad tai atsitinka toli gražu nedažnai, o gal ir išvis niekada. Ir tikrai – nepriklausomi teoriniai (ir kai kurie eksperimentiniai) modeliai teigia, jog didžiausias akmenukų dydis, kurį galima šitaip pasiekti, yra maždaug milimetras – toli gražu ne planetos dydis! Tačiau jei visgi dėl kokių nors priežasčių akmenukai sugeba sulipti į kelių šimtų kilometrų dydžio luitus, tai tie luitai toliau jau tikrai sukibinės dažniau, nei suskils. „Elgesio“ pokytis atsiranda dėl to, kad tokio dydžio luitų gravitacija jau yra pakankamai stipri, kad net ir po susidūrimo subyrėjusius gabalus gali sulaikyti nuo išsilakstymo ir vėl surinkti į vieną krūvą. Štai tokie dideli luitai, trankydamiesi vienas į kitą, ir sukuria planetas. Tačiau dar viena šios teorijos problema yra ta, kad pagal ją išeitų, kad planetos aplink savo ašis turėtų suktis įvairiomis kryptimis. Na o Saulės sistemoje (kitose sistemose planetų sukimosi apie savo ašis išmatuoti dar negalime) iš aštuonių didžiųjų planetų šešios sukasi ta pačia kryptimi, kaip ir juda orbitose aplink Saulę (iš likusių dviejų Venera priešingai sukasi greičiausiai dėl keistų potvyninių sąveikų su Saule, o Uranas „rieda“ orbita, taigi nesisuka priešingai). Tikimybė, kad tokia konfigūracija yra atsitiktinė, tikrai menka.

Kaip alternatyva tai teorijai, prieš maždaug dešimtmetį buvo sukurta kita – gravitacinio nestabilumo (gravitational instability) teorija. Ji teigia, kad akrecinis diskas yra pakankamai tankus ir sąlyginai šaltas (jie greitai atvėsta, o dėl plonumo jaunos žvaigždės spinduliuotė beveik negali jų įkaitinti), jog jame prasideda gravitacinis kolapsas šiek tiek panašus į tą, iš kurio atsirado ir pati žvaigždė. Tik šiuo atveju susiformavę rutuliai ir toliau sukasi aplink žvaigždę ir kondensuojasi bei „valgo“ aplinkinę disko medžiagą. Taip po truputį iš disko telieka vien planetos, kurios sukasi ta pačia kryptimi aplink savo ašį, kaip ir aplink žvaigždę. Besiformuodamos planetos, sąveikaudamos su kaimynėmis ir disku, gali judėti arčiau žvaigždės. Būtent tokia migracija, manoma, turėtų paaiškinti „karštųjų Jupiterių“ – dujinių planetų, dažnai masyvesnių už Jupiterį, bet besisukančių aplink savo žvaigždę arčiau nei Merkurijus aplink Saulę – egzistavimą. Pagrindinė šios teorijos problema – rutuliai privalo būti masyvūs (bent pusės Jupiterio masės) ir dujiniai, nes protoplanetinis diskas pagrinde sudarytas iš lengvų dujų. Taigi taip galima paaiškinti dujinių milžinių – Jupiterio ir pan. – egzistavimą, bet Žemės niekaip nesukursime.

Trečia teorija, arba ta „pusė“, kurią minėjau aukščiau, yra tam tikras pirmų dviejų sujungimas. Panašiai kaip gravitacinio nestabilumo atveju, akreciniame diske susiformuoja planetų embrionai (nesijuokit, tai rimtas mokslinis terminas) ir ima „valgyti“ diską. Tačiau tuose embrionuose vyksta sunkiųjų elementų jungimasis, panašiai kaip šerdies surinkimo teorijoje. Tie sunkūs elementai nusėda į embrionų centrus ir ten formuoja kietus branduolius – tą padaryti daug lengviau, nei tiesiog diske, nes viso embriono gravitacinis potencialas neleidžia jiems išsilakstyti susidūrus. Šitie embrionai kartu su branduoliais migruoja artyn žvaigždės ir kažkuriuo metu yra suardomi potvyninių efektų (iš čia kilęs ir teorijos pavadinimas – „potvyninis sumažinimas“ arba „tidal downsizing“). Priklausomai nuo branduolio dydžio (kuris, savo ruožtu, priklauso nuo migracijos greičio) jis arba sugeba išlaikyti dujinį apvalkalą, arba nesugeba. Taip atsiranda arba dujinės milžinės, arba uolinės (t.y. panašios į Žemę) planetos.


Planetos. Čia dar iš tų laikų, kai Plutonas nebuvo nykštuku apšauktas.

Uolinės planetos kartais irgi išlaiko dalį dujų aplink save – štai Žemė išlaikė azotą ir deguonį, bet neišlaikė vandenilio ir helio, dėl to šių elementų mūsų atmosferoje ir nėra. Aplink kai kurias planetas gali susiformuoti mažesnės akrecinių diskų kopijos – mes jas matome kaip Saturno žiedus; panašius, tik gerokai mažesnius ir blyškesnius, žiedus turi ir Jupiteris bei Uranas. Akrecinio disko sunkieji „likučiai“, kurių masės neužtenka tapti planetomis, lieka padrikai klajoti po planetinę sistemą. Juos po truputį „sugaudo“ kitos planetos, ypač jei tarp jų yra dujinių milžinių. Taip susiformuoja asteroidų žiedas, „graikai“ ir „trojėnai“ (dvi asteroidų grupės Jupiterio orbitoje), o į šias konfigūracijas nepakliuvę smulkūs objektai yra išstumiami į sistemos pakraščius – Saulės sistemoje jie vadinami transneptūniniais (t.y. už Neptūno esančiais) objektais. Kai kurie iš šių objektų juda labai ištęstomis, beveik parabolinėmis (t.y. ne uždaromis eliptinėmis) orbitomis – priartėjusius prie Saulės, mes juos matome kaip kometas.

Beje, skirtumas tarp didžiųjų ir mažųjų planetų yra gana miglotas. Tik prieš ketverius metus Tarptautinė astronomų sąjunga patvirtino apibrėžimą, kas yra „planeta“, o kas nėra. Pagal tą apibrėžimą planeta yra objektas, besisukantis aplink žvaigždę (tuo ji skiriasi nuo palydovo), kurio masės nepakanka termobranduolinėms reakcijoms (tuo ji skiriasi nuo žvaigždės), bet pakanka objekto suapvalinimui (tuo ji skiriasi nuo asteroido ar kometos; pakankamai masyvus kūnas dėl savo paties gravitacijos sukrenta į daugmaž apvalų pavidalą) ir kuris yra dominuojantis kūnas savo orbitinėje zonoje. Ši paskutinė apibrėžimo dalis iš planetų sąrašo išstūmė Plutoną, nes jo orbita kertasi su Neptūno, o pastarasis yra masyvesnis, taigi dominuojantis. Dangaus kūnai, kurie, panašiai kaip Plutonas, nedominuoja savo orbitinėje zonoje, tačiau išpildo kitus planetoms keliamus reikalavimus, vadinami nykštukinėmis planetomis. Tokių šiuo metu žinomos penkios: jau minėtas Plutonas, asteroidų žiede esanti Cerera (Ceres) bei trys už Plutono esantys kūnai – Haumėja (Haumea), Makemake ir Eridė (Eris). Dar mažesni, netaisyklingos formos objektai – tai visi asteroidai, kometos ir panaši smulkmė. Na ir galiausiai ne aplink Saulę besisukantys objektai yra planetų palydovai. Didžiausias palydovas Saulės sistemoje – Jupiterio mėnulis Ganimedas – yra pusės Merkurijaus masės. O štai Žemės Mėnulis ypatingas tuo, kad iš visų didžiųjų planetų jis yra santykinai masyviausias, t.y. sudaro didžiausią dalį savo „motininės“ planetos masės. Manoma, kad ši savybė yra labai svarbi gyvybės atsiradimui, nes toks didelis palydovas neleido Žemės ašiai smarkiai sukiotis po susikūrimo, taigi ir temperatūrų kitimas visada buvo gana cikliškas, todėl ir užsimezgusi gyvybė galėjo išgyventi.

Štai taip, per tris dalis ir beveik devynis puslapius teksto, nuo Visatos pakraščių priėjau iki gyvybės Žemėje. Tai jau nebe astrofizika, o biologija, tad apie ją pasakoti nebandysiu, o sugalvosiu ką nors kitokio ir panašiai nuobodaus. Tai tiek.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.