Systemer i de tidlige stadier af dannelsen oplever det største antal påvirkninger på grund af tilstedeværelsen af et stort antal embryoner i ustabile baner. Vil vi være i stand til at overveje disse processer og afsløre Jordens fortid?
I de sidste stadier af planetdannelse bryder unge planetariske embryoner ned i andre protoplaneter, hvilket får deres overflader og mantler til at smelte intenst. En sådan kollision mellem den fremtidige Jord og Theia, der ramte den, skabte Earth-Moon-systemet og førte til fremkomsten af magmahavet: en blanding af smeltede silikater og flygtige stoffer, der strækker sig over hele mantelen. Hav af magma satte scenen for den tidlige overflade og atmosfære, som livsbetingelserne til sidst udviklede sig på.
Kollisionen mellem den nyfødte Jorden og Theia (en genstand på størrelse med Mars), som forårsagede dannelsen af Månen.
Desværre for geofysikere, men heldigvis for livet generelt, har flere milliarder år med pladetektonik på Jorden ødelagt de klare tegn på et hav af magma, og så forskere forstår næppe, hvordan denne varme og smeltede verden blev til en beboelig planet. Imidlertid menes det, at de generelle principper for dannelse af klippeplaneter er ens i systemer med andre stjerner, og at de mest kraftfulde påvirkninger derfor ikke er sjældne på planeterne, der i øjeblikket dannes i bane fra unge stjerner.
Dette gør det muligt at fange et øjebliksbillede af eftergløden fra gigantiske påvirkninger i exoplanetære systemer. Direkte detektion af en smeltet protoplanet vil være nøglen til de tidlige stadier af planetarisk udvikling.
Jakten på smeltede verdener
Unge protoplaneter er meget varme og lyse, da deres overfladetemperaturer kan nå 3000 ° C. Man kan således tro, at de er lette at se på nattehimlen, men desværre er det ikke helt sandt. Når den smeltede mantel størkner, frigives faktisk opløste flygtige stoffer såsom vand og kuldioxid gradvist i atmosfæren. I mangel af stærk stjernevind eller høje niveauer af ultraviolet stråling fra stjernen vil planetens atmosfære blive tykkere og derved skjule overfladen. Dermed vil det fungere som et tæppe og forlænge magmahavets køleperiode.
Salgsfremmende video:
En kunstnerisk repræsentation af en exoplanet dækket af magmahav.
Mens eksistensen af magmahavene er blevet antydet af teoretiske modeller for planetarisk dannelse, er global smeltning af kroppe som følge af kollisioner mellem protoplaneter endnu ikke blevet observeret. Da antallet af sådanne påvirkninger forventes at falde gradvist over tid, tilbyder unge planetariske systemer de bedste chancer for at detektere sådanne genstande.
For at være synlige skal disse smeltede legemer imidlertid opfylde to betingelser. Vær først ikke tæt på deres stjerne, ellers kan teleskopet ikke være i stand til at adskille den smeltede protoplanet fra dens lyse vært. For det andet skal en tilstrækkelig mængde stråling fra magmahavet trænge ind i atmosfæren.
Med hensyn til udsendt stråling er smeltede protoplaneter et attraktivt mål for direkte billeddannelse, fordi de er meget lysere end ældre planeter som Jorden. Så hvis vi nogensinde vil begynde at indsamle øjeblikkelige fotografier af jordlignende ekstrasolære planeter, så er smeltede protoplaneter et godt sted at starte!
Hvad er chancerne for at opdage efterglød?
Desværre, selv med de mest avancerede billeddannelsesværktøjer, forbliver direkte detektion af smeltede planeter uden for rækkevidde. Imidlertid vil i 2020'erne se æraen med kolossale, jordbaserede teleskoper: ESOs ekstremt store teleskop (ELT) i Chile, det gigantiske magellaniske teleskop (GMT) i Chile og det tretti meter teleskop (TMT) på Hawaii. Ud over nye jordbaserede observatorier overvejes fremtidige rummissioner til direkte billeddannelse af stenede planeter i beboelige zoner af sollignende stjerner, især LIFE (stort interferometer til exoplanet) interferometer, der lover en hidtil uset nøjagtighed ved karakterisering af ekstrasolære planeter.
Kunstnerisk repræsentation af ESOs ekstremt store teleskop.
Sandsynligheden for at se en smeltet planet afhænger af to hovedfaktorer: det kumulative antal gigantiske påvirkninger, som objekter i planetsystemet oplever, og tidsintervallet, i hvilket det smeltede legeme forbliver varmt nok til at blive opdaget.
For at bestemme sandsynligheden for at observere smeltede protoplaneter skal du først fastlægge sandsynligheden for gigantiske påvirkninger ved at simulere planetdannelse. Computersimuleringer sporer udviklingen af bane og væksten af planetariske embryoner, når de smelter sammen til fulde planeter under kollisioner.
Systemer i de tidlige stadier af dannelsen oplever det største antal påvirkninger på grund af tilstedeværelsen af et stort antal embryoner i ustabile baner. Når det er sagt, vil de kredsende røde dværge, de mest almindelige stjerner på Mælkevejen, blive ramt næsten dobbelt så mange gange som dem omkring vores sols kolleger. Dette er meget lovende med hensyn til sandsynligheden for, at magmatiske hav forekommer, men der er en advarsel: protoplaneter i sådanne systemer vil være placeret i tæt bane og kan derfor ikke adskilles fra stjernens stråling. Derudover vil kollisionerne være mindre energiske, og kroppen vil derfor være kedelige. Således bliver potentiel observerbarhed en funktion af stjernens alder, antal påvirkninger og kollisionsenergi.
I betragtning af hyppigheden af forekomsten af magmahavet beregnet forskere udviklingen og perioden for eksistensen af magmahavene for at bestemme ændringer i overfladetemperatur afhængig af størrelsen på planeten og dens tykkelse af atmosfæren, hvilket udtrykkes i den såkaldte emissivitet: jo lavere den er, desto mere isolerende er atmosfæren.
En kunstnerisk repræsentation af en ung eksoplanet, der konstant bombarderes af embryoner i ustabile baner.
Store protoplaneter med en tyk atmosfære vil understøtte magmahavene længere, men de vil også udvise lavere stråling og er mere tilbøjelige til at være under følsomhedsniveauet for teleskoper. Det er vigtigt at bemærke, at den sandsynlige sammensætning af exoprotoplaneter kan afvige markant fra de tidlige planeter i solsystemet. Emissiviteten afhænger således af en yderligere parameter: en række sammensætninger og masser af exoplanetære atmosfærer.
Naturligvis bestemmes det bedste sted at begynde at lede efter smeltede planeter med ELT eller LIFE af nærheden til solsystemet. De mest lovende mål er unge, nærliggende og massive stjernegrupper. Forestil dig, at forskere allerede har et "passende" teleskop og skal se alle de individuelle stjerner i en forening. Findes en smeltet protoplanet? Hverken ja eller nej. Svaret er statistisk sandsynlighed, afhængigt af et antal fysiske parametre.
Panoramabillede fra Carina OB1-foreningen, der indeholder flere grupper af unge stjerner, såsom Trumpler 14-klyngen, som er hjemsted for omkring 2.000 stjerner. De systemer, der er tættest på os, som denne, er de vigtigste mål for at opdage kollisioner med protoplaneter.
For eksempel inkluderer foreningen β Pictoris (Beta Pictoris), der ligger 63 lysår fra solen, 31 stjerner med en gennemsnitlig alder på 23 millioner år. Sandsynligheden for at detektere mindst en planet med et hav af magma blandt deres planetsystemer vil være ubetydelig med et ufølsomt filter, men kan nå 80% for observationer med LIFE ved 5,6 mikrometer eller med ELT ved 2,2 mikrometer.
Hvad betyder disse tal, og hvad skal jeg gøre videre?
Der er stadig en række spørgsmål. For eksempel er det stadig uklart, om planeter fødes omkring alle stjerner, og hvilke planeter, der skal forventes, afhængigt af stjernens klasse.
Tidligere undersøgelser, der diskuterede den potentielle observerbarhed af smeltede planeter, spekulerede på, om eftergløden af en gigantisk påvirkning, svarende til den, der skabte Månen, kunne registreres under proto-Earth forhold. Ikke desto mindre har en undersøgelse af eksoplaneter i de seneste årtier vist, at mange af deres egenskaber (sammensætning, masse, radius, bane og andre) adskiller sig meget fra alt, hvad man antog som et resultat af studiet af solsystemet. Derfor forventer forskere enorme forskelle mellem sammensætningsegenskaberne for unge protoplaneter og deres atmosfærer, det vil sige spørgsmålet om den potentielle observerbarhed af den dannende proto-Jorden er interessant, men ikke vigtig på grund af den ubetydelige sandsynlighed for tilstedeværelsen af sådanne protoplaneter i den forudsigelige nærheden af Solen.
Tusinder af stjernesystemer, der bor i Mælkevejen.
For at komme tættere på at opdage en smeltet protoplanet i de næste par år, er der behov for flere nøglespørgsmål: hvad er de typiske variationer i atmosfæren på klippeformede planeter, hvordan fordeler flygtige stoffer mellem mantelen og atmosfæren?
Observations-kampagner vil gøre det muligt for forskere at forbedre deres forståelse af atmosfæriske egenskaber og sammensætningsfordelinger. Derudover vil det være nødvendigt at begrænse egenskaberne ved individuelle medlemsstjerner i de mest lovende foreninger bedre: ß Pictoris, Columba, TW Hydrae og Tucana-Horologium. Dette kræver fælles indsats fra teoretikere og observatører, astronomer, geofysikere og geokemister.
Til sidst, engang i den ikke alt for fjerne fremtid, kan vi muligvis se et glimt af en glødende ung verden, der måske ikke er så forskellig fra vores eget hjem i universet.
Arina Vasilieva