wszechświat
Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-07-05
Naprawdę dziwne urodziny

Cztery duże jowiszowe księżyce utworzyły się zapewne z otaczającego giganta dysku, podobnie jak planety rodzące się w pobliżu Słońca. Jednak większość z 63 księżyców planety to przechwycone przez nią planetoidy.


Jest, jaki jest - stabilny, przewidywalny, niezmienny... A może tylko tak się nam wydaje? Początki Układu Słonecznego były niezwykle burzliwe, a jego skomplikowana ewolucja trwa do dziś.

Jak powstało Słońce i okrążające je planety? Pewne szczegóły tego procesu już znamy. Prawdopodobnie materia dzisiejszego układu znajdowała się niegdyś wewnątrz olbrzymiego obłoku molekularnego o średnicy kilkudziesięciu lat świetlnych. Jego skład przypominał zewnętrzne warstwy Słońca: pierwiastki cięższe od wodoru i helu stanowiły w nim zaledwie 2% masy.

Obłok stopniowo dzielił się na mniejsze części. W pewnym momencie jedna z nich, o masie nieznacznie większej od masy Słońca, zaczęła się zapadać. Nie można wykluczyć, że do kolapsu przyczynił się wybuch pobliskiej supernowej. Wywołana eksplozją fala uderzeniowa zagęściła materię obłoku i zapoczątkowała zapadanie się jego fragmentu pod wpływem własnej grawitacji.

Zapewne nasza gwiazda utworzyła się w gromadzie kilkuset podobnych do niej towarzyszek. Świadczą o tym orbity najdalszych ciał naszego układu - niewykluczone, że na ich kształt wpłynęło oddziaływanie z innymi bliskimi gwiazdami podczas pierwszych kilkudziesięciu milionów lat życia.

Gdy pierwotne Słońce zapadało się i rozgrzewało, otaczająca je materia utworzyła płaski dysk o średnicy kilkaset razy większej od jednostki astronomicznej (j.a.), czyli odległości dzielącej dziś Ziemię od Słońca. Po kilkudziesięciu milionach lat temperatura we wnętrzu Słońca wzrosła tak bardzo, że mogły się w nim rozpocząć reakcje termojądrowe. W tym czasie w obrębie dysku powstawały planety. W jaki sposób? Wiemy o tym stosunkowo niewiele.

Najprawdopodobniej zimne lodowo-gazowe ziarna z dysku sklejały się ze sobą, tworząc najpierw kilkusetmetrowe zagęszczenia, a później kilkunastokilometrowe planetozymale. Ich losy zależały od odległości od Słońca. Około 5 j.a. od gwiazdy znajduje się linia śniegu - obszar, wewnątrz którego temperatura jest zbyt wysoka, by mogły tam przetrwać takie substancje, jak lód wodny, metanowy i zestalony amoniak. Wewnątrz linii śniegu mogły więc pojawić się tylko planetozymale, składające się głównie z krzemianów, żelaza, niklu i glinu.

Z czasem część z łączących się planetozymali osiągnęła średnicę ok. 1000 km i status oligarchów układu. Od tej pory dalszy wzrost planet odbywał się przez dołączanie do nich innych planetozymali. Pod koniec tej fazy w układzie znajdowało się ok. 100 obiektów o masach pomiędzy stoma masami Księżyca a masą Marsa.

Rozpoczęły się gigantyczne zderzenia i połączenia. Z czasem zderzające się ze sobą planetozymale utworzyły skalistego Marsa, Ziemię, Wenus i Merkurego. W tym procesie nie obyło się bez strat - mniej więcej połowa oligarchów została wyrzucona z układu na zawsze lub co najmniej na jego dalekie peryferia.

Jednak nie wszystko jest jasne. Teoria wciąż ma pewne kłopoty z wyjaśnieniem tego etapu ewolucji. Skoro planetozymale zderzały się ze sobą często i łatwo - a tak z pewnością było - a do powstania jednej planety typu ziemskiego musiało się ich zderzyć co najmniej kilkaset milionów, to z pewnością poruszały się one po silnie wydłużonych orbitach, sprzyjających częstym spotkaniom. Jednak dzisiejsze skaliste planety poruszają się po niemal idealnych okręgach. Co spowodowało tę zmianę?

Podejrzewamy, że za „ukołowienie" planetarnych orbit odpowiadały resztki gazu i pyłu wypełniające dysk protoplanetarny. Może w czasie gdy formowanie planet miało się ku końcowi, pozostałości te zostały usunięte z układu przez silny wiatr gwiazdowy, pochodzący z powierzchni Słońca?

Tak, czy inaczej, planety powstały. Ich dalsze losy odczytujemy już nie z modeli teoretycznych, ale ze składu chemicznego, ruchu i obserwacji okrążających je satelitów. Jak się okazuje, niemal każda planeta przeżyła we wczesnej młodości co najmniej jedną niezwykłą przygodę.

Początki Ziemi
Najdawniejsze dzieje Ziemi były bardzo burzliwe. Świeżo zlepiony z drobnych bryłek glob wkroczył w - niezakończony do dziś - okres powolnego stygnięcia. Stopione warstwy metali i prapoczątków skał zaczęły się od siebie oddzielać. Żelazo spłynęło do ziemskiego wnętrza, które otoczyła lżejsza skorupa. Właśnie wtedy nastąpiło jedno z ostatnich wielkich zderzeń. W naszą, większą niż dziś, ale samotną, planetę uderzyło ciało wielkości zbliżonej do Marsa. Wyrzucone w trakcie katastrofy odłamki Ziemi utworzyły wokół planety wirujący dysk, z którego z czasem powstał Księżyc.

Za tą teorią przemawia skład księżycowej materii i niewielka gęstość Srebrnego Globu, wskazująca, że powstał on z zewnętrznych, lżejszych skał Ziemi. Nowy glob uformował się zapewne w odległości 3-5 ziemskich promieni od macierzystej planety. Szczątki, okrążające Ziemię po niższych orbitach, nie mogłyby się połączyć w większe ciało, a na większą odległość odłamki z katastrofy mogłyby po prostu nie dolecieć.

W chwili narodzin tego niezwykłego układu podwójnego ziemska doba mogła trwać zaledwie osiem godzin, a Księżyc obracał się wokół swej osi niezależnie od Ziemi. Od tej pory hamująca siła przypływów zwalnia ruch obrotowy Ziemi i sprawia, że odległość między nią a Księżycem rośnie w tempie 3,8 cm/rok. Z czasem Srebrny Glob nie tylko oddalił się, osiągając obecną odległość od Ziemi, ale i wyhamował tempo obrotu. Księżycowa doba trwa około 27 dni, tyle samo co jeden obieg wokół Ziemi. To dlatego nasz satelita zwraca ku nam stale tę samą półkulę.

Zbity Merkury
Równie silnie jak protoziemia ucierpiał Merkury. Jest on dziś drugą co do gęstości planetą po Ziemi. Uwzględniając fakt, że jest o wiele słabiej ściskany przez własną grawitację, łatwo dojdziemy do wniosku, że materia tworząca planetę ma większą średnią gęstość niż ta, która tworzy Ziemię. Prawdopodobnie jego żelazne jądro zajmuje aż 42% objętości planety (ziemskie - zaledwie 17%).

Najbardziej prawdopodobna hipoteza wyjaśniająca tę anomalną gęstość mówi, że w początkach Układu Słonecznego Merkury miał masę 2,25 razy większą niż dziś. Jednak, podobnie jak protoziemia, zderzył się z innym ciałem i utracił większość zbudowanej z lżejszych skał skorupy i płaszcza. Tym razem jednak z odrzuconych odłamków nie powstał satelita. Może planeta znajdowała się wówczas zbyt blisko Słońca i warunki ponownego zlepiania odłamków były utrudnione?

Złożenie ruchu orbitalnego i obrotowego Merkurego powodują niezwykły ruch Słońca na merkuriańskim niebie. Wschodzi ono, zatrzymuje się, przez pewien czas cofa się ku widnokręgowi, a następnie kontynuuje „normalny" ruch. Może też zdarzyć się, że po zachodzie jeszcze na chwilę wyjrzy zza horyzontu. Dodatkowych danych o Merkurym dostarczy już w marcu przyszłego roku, wchodząca na jego orbitę sonda Messenger.

Niezwykła zamiana miejsc
Wróćmy na chwilę do planet gigantów, które powstawały w tym samym czasie co Ziemia. Powstające poza linią śniegu planety mogły akumulować lody, a także wypełniające pierwotny dysk gazy - wodór i hel. Największą masę zgromadziła ta, znajdująca się tuż za linią śniegu - Jowisz, mniejszą - powstający dalej Saturn.

Ale i powstawanie gazowych olbrzymów kryje liczne zagadki. Jak i gdzie powstały Uran i Neptun? Ilość gazu i pyłu, jaka znajdowała się w obszarze, gdzie się obecnie znajdują, była bardzo mała i nie wystarczyłaby do stworzenia dużych obiektów. Zapewne narodziły się więc bliżej Słońca. W dodatku dokładniejsza analiza ich składu wskazuje, że Neptun narodził się bliżej Słońca niż Uran. Jakim sposobem planety nie tylko znacznie oddaliły się od Słońca, ale w dodatku zamieniły miejscami?

Za ich ruch odpowiadały przede wszystkim oddziaływania z pozostałymi planetozymalami, krążącymi na zewnątrz planetarnych orbit. Uran, Neptun i Saturn odrzucały je zwykle w stronę centrum Układu Słonecznego i wskutek tego powoli przesuwały się same ku jego krawędzi. Najcięższa, Jowisz, oddziaływała z przemieszczanymi przez dalsze planety ciałami. Część z nich wysyłała ku Słońcu, a resztę odrzucała na same obrzeża układu. Tylko ona przesuwała się w trakcie wędrówki ku centrum Układu Słonecznego.

Niewykluczone, że gdyby resztki dysku przetrwały dłużej, niepowstrzymany Jowisz podążyłby w bezpośrednie pobliże Słońca, rujnując wcześniej Ziemię i jej skaliste kuzynki.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 11/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2018
11/2018
Kalendarium
Grudzień
10

W 1901 r. po raz pierwszy przyznano Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Czy można badać kosmos zwykłym kijem? Jaki kolor ma wszechświat? Czy stojąc na szczycie Mount Everestu, jesteśmy najdalej od środka Ziemi?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-07-05
Naprawdę dziwne urodziny

Cztery duże jowiszowe księżyce utworzyły się zapewne z otaczającego giganta dysku, podobnie jak planety rodzące się w pobliżu Słońca. Jednak większość z 63 księżyców planety to przechwycone przez nią planetoidy.


Jest, jaki jest - stabilny, przewidywalny, niezmienny... A może tylko tak się nam wydaje? Początki Układu Słonecznego były niezwykle burzliwe, a jego skomplikowana ewolucja trwa do dziś.

Jak powstało Słońce i okrążające je planety? Pewne szczegóły tego procesu już znamy. Prawdopodobnie materia dzisiejszego układu znajdowała się niegdyś wewnątrz olbrzymiego obłoku molekularnego o średnicy kilkudziesięciu lat świetlnych. Jego skład przypominał zewnętrzne warstwy Słońca: pierwiastki cięższe od wodoru i helu stanowiły w nim zaledwie 2% masy.

Obłok stopniowo dzielił się na mniejsze części. W pewnym momencie jedna z nich, o masie nieznacznie większej od masy Słońca, zaczęła się zapadać. Nie można wykluczyć, że do kolapsu przyczynił się wybuch pobliskiej supernowej. Wywołana eksplozją fala uderzeniowa zagęściła materię obłoku i zapoczątkowała zapadanie się jego fragmentu pod wpływem własnej grawitacji.

Zapewne nasza gwiazda utworzyła się w gromadzie kilkuset podobnych do niej towarzyszek. Świadczą o tym orbity najdalszych ciał naszego układu - niewykluczone, że na ich kształt wpłynęło oddziaływanie z innymi bliskimi gwiazdami podczas pierwszych kilkudziesięciu milionów lat życia.

Gdy pierwotne Słońce zapadało się i rozgrzewało, otaczająca je materia utworzyła płaski dysk o średnicy kilkaset razy większej od jednostki astronomicznej (j.a.), czyli odległości dzielącej dziś Ziemię od Słońca. Po kilkudziesięciu milionach lat temperatura we wnętrzu Słońca wzrosła tak bardzo, że mogły się w nim rozpocząć reakcje termojądrowe. W tym czasie w obrębie dysku powstawały planety. W jaki sposób? Wiemy o tym stosunkowo niewiele.

Najprawdopodobniej zimne lodowo-gazowe ziarna z dysku sklejały się ze sobą, tworząc najpierw kilkusetmetrowe zagęszczenia, a później kilkunastokilometrowe planetozymale. Ich losy zależały od odległości od Słońca. Około 5 j.a. od gwiazdy znajduje się linia śniegu - obszar, wewnątrz którego temperatura jest zbyt wysoka, by mogły tam przetrwać takie substancje, jak lód wodny, metanowy i zestalony amoniak. Wewnątrz linii śniegu mogły więc pojawić się tylko planetozymale, składające się głównie z krzemianów, żelaza, niklu i glinu.

Z czasem część z łączących się planetozymali osiągnęła średnicę ok. 1000 km i status oligarchów układu. Od tej pory dalszy wzrost planet odbywał się przez dołączanie do nich innych planetozymali. Pod koniec tej fazy w układzie znajdowało się ok. 100 obiektów o masach pomiędzy stoma masami Księżyca a masą Marsa.

Rozpoczęły się gigantyczne zderzenia i połączenia. Z czasem zderzające się ze sobą planetozymale utworzyły skalistego Marsa, Ziemię, Wenus i Merkurego. W tym procesie nie obyło się bez strat - mniej więcej połowa oligarchów została wyrzucona z układu na zawsze lub co najmniej na jego dalekie peryferia.

Jednak nie wszystko jest jasne. Teoria wciąż ma pewne kłopoty z wyjaśnieniem tego etapu ewolucji. Skoro planetozymale zderzały się ze sobą często i łatwo - a tak z pewnością było - a do powstania jednej planety typu ziemskiego musiało się ich zderzyć co najmniej kilkaset milionów, to z pewnością poruszały się one po silnie wydłużonych orbitach, sprzyjających częstym spotkaniom. Jednak dzisiejsze skaliste planety poruszają się po niemal idealnych okręgach. Co spowodowało tę zmianę?

Podejrzewamy, że za „ukołowienie" planetarnych orbit odpowiadały resztki gazu i pyłu wypełniające dysk protoplanetarny. Może w czasie gdy formowanie planet miało się ku końcowi, pozostałości te zostały usunięte z układu przez silny wiatr gwiazdowy, pochodzący z powierzchni Słońca?

Tak, czy inaczej, planety powstały. Ich dalsze losy odczytujemy już nie z modeli teoretycznych, ale ze składu chemicznego, ruchu i obserwacji okrążających je satelitów. Jak się okazuje, niemal każda planeta przeżyła we wczesnej młodości co najmniej jedną niezwykłą przygodę.

Początki Ziemi
Najdawniejsze dzieje Ziemi były bardzo burzliwe. Świeżo zlepiony z drobnych bryłek glob wkroczył w - niezakończony do dziś - okres powolnego stygnięcia. Stopione warstwy metali i prapoczątków skał zaczęły się od siebie oddzielać. Żelazo spłynęło do ziemskiego wnętrza, które otoczyła lżejsza skorupa. Właśnie wtedy nastąpiło jedno z ostatnich wielkich zderzeń. W naszą, większą niż dziś, ale samotną, planetę uderzyło ciało wielkości zbliżonej do Marsa. Wyrzucone w trakcie katastrofy odłamki Ziemi utworzyły wokół planety wirujący dysk, z którego z czasem powstał Księżyc.

Za tą teorią przemawia skład księżycowej materii i niewielka gęstość Srebrnego Globu, wskazująca, że powstał on z zewnętrznych, lżejszych skał Ziemi. Nowy glob uformował się zapewne w odległości 3-5 ziemskich promieni od macierzystej planety. Szczątki, okrążające Ziemię po niższych orbitach, nie mogłyby się połączyć w większe ciało, a na większą odległość odłamki z katastrofy mogłyby po prostu nie dolecieć.

W chwili narodzin tego niezwykłego układu podwójnego ziemska doba mogła trwać zaledwie osiem godzin, a Księżyc obracał się wokół swej osi niezależnie od Ziemi. Od tej pory hamująca siła przypływów zwalnia ruch obrotowy Ziemi i sprawia, że odległość między nią a Księżycem rośnie w tempie 3,8 cm/rok. Z czasem Srebrny Glob nie tylko oddalił się, osiągając obecną odległość od Ziemi, ale i wyhamował tempo obrotu. Księżycowa doba trwa około 27 dni, tyle samo co jeden obieg wokół Ziemi. To dlatego nasz satelita zwraca ku nam stale tę samą półkulę.

Zbity Merkury
Równie silnie jak protoziemia ucierpiał Merkury. Jest on dziś drugą co do gęstości planetą po Ziemi. Uwzględniając fakt, że jest o wiele słabiej ściskany przez własną grawitację, łatwo dojdziemy do wniosku, że materia tworząca planetę ma większą średnią gęstość niż ta, która tworzy Ziemię. Prawdopodobnie jego żelazne jądro zajmuje aż 42% objętości planety (ziemskie - zaledwie 17%).

Najbardziej prawdopodobna hipoteza wyjaśniająca tę anomalną gęstość mówi, że w początkach Układu Słonecznego Merkury miał masę 2,25 razy większą niż dziś. Jednak, podobnie jak protoziemia, zderzył się z innym ciałem i utracił większość zbudowanej z lżejszych skał skorupy i płaszcza. Tym razem jednak z odrzuconych odłamków nie powstał satelita. Może planeta znajdowała się wówczas zbyt blisko Słońca i warunki ponownego zlepiania odłamków były utrudnione?

Złożenie ruchu orbitalnego i obrotowego Merkurego powodują niezwykły ruch Słońca na merkuriańskim niebie. Wschodzi ono, zatrzymuje się, przez pewien czas cofa się ku widnokręgowi, a następnie kontynuuje „normalny" ruch. Może też zdarzyć się, że po zachodzie jeszcze na chwilę wyjrzy zza horyzontu. Dodatkowych danych o Merkurym dostarczy już w marcu przyszłego roku, wchodząca na jego orbitę sonda Messenger.

Niezwykła zamiana miejsc
Wróćmy na chwilę do planet gigantów, które powstawały w tym samym czasie co Ziemia. Powstające poza linią śniegu planety mogły akumulować lody, a także wypełniające pierwotny dysk gazy - wodór i hel. Największą masę zgromadziła ta, znajdująca się tuż za linią śniegu - Jowisz, mniejszą - powstający dalej Saturn.

Ale i powstawanie gazowych olbrzymów kryje liczne zagadki. Jak i gdzie powstały Uran i Neptun? Ilość gazu i pyłu, jaka znajdowała się w obszarze, gdzie się obecnie znajdują, była bardzo mała i nie wystarczyłaby do stworzenia dużych obiektów. Zapewne narodziły się więc bliżej Słońca. W dodatku dokładniejsza analiza ich składu wskazuje, że Neptun narodził się bliżej Słońca niż Uran. Jakim sposobem planety nie tylko znacznie oddaliły się od Słońca, ale w dodatku zamieniły miejscami?

Za ich ruch odpowiadały przede wszystkim oddziaływania z pozostałymi planetozymalami, krążącymi na zewnątrz planetarnych orbit. Uran, Neptun i Saturn odrzucały je zwykle w stronę centrum Układu Słonecznego i wskutek tego powoli przesuwały się same ku jego krawędzi. Najcięższa, Jowisz, oddziaływała z przemieszczanymi przez dalsze planety ciałami. Część z nich wysyłała ku Słońcu, a resztę odrzucała na same obrzeża układu. Tylko ona przesuwała się w trakcie wędrówki ku centrum Układu Słonecznego.

Niewykluczone, że gdyby resztki dysku przetrwały dłużej, niepowstrzymany Jowisz podążyłby w bezpośrednie pobliże Słońca, rujnując wcześniej Ziemię i jej skaliste kuzynki.