Η κλίση του Ουρανού έχει ουσιαστικά τον πλανήτη να περιστρέφεται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, ο άξονας της περιστροφής του δείχνει σχεδόν στον Ήλιο.
(Εικόνα: © NASA και Erich Karkoschka, ΗΠΑ της Αριζόνα)
Αν και οι πλανήτες περιβάλλουν τα αστέρια στον γαλαξία, ο τρόπος με τον οποίο σχηματίζονται παραμένει αντικείμενο συζήτησης. Παρά τον πλούτο των κόσμων στο δικό μας ηλιακό σύστημα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι πώς κατασκευάζονται οι πλανήτες. Επί του παρόντος, δύο θεωρίες το κάνουν για το ρόλο του πρωταθλητή.
Ο πρώτος και πιο ευρέως αποδεκτός, πυρήνας, λειτουργεί καλά με το σχηματισμό των επίγειων πλανητών αλλά έχει προβλήματα με γιγάντιους πλανήτες όπως ο Ουρανός. Η δεύτερη, η μέθοδος αστάθειας δίσκου, μπορεί να εξηγεί τη δημιουργία γιγαντιαίων πλανητών.
"Αυτό που διαχωρίζει τους γίγαντες πάγου από τους γίγαντες φυσικού αερίου είναι η ιστορία του σχηματισμού τους: κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης πυρήνα, οι πρώτοι δεν ξεπέρασαν ποτέ την [κρίσιμη μάζα] σε έναν πλήρη δίσκο αερίου", έγραψαν οι ερευνητές Renata Frelikh και Ruth Murray-Clay σε ερευνητικό έγγραφο.
Το βασικό μοντέλο αύξησης
Πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, το ηλιακό σύστημα ήταν ένα σύννεφο σκόνης και αερίου γνωστό ως ηλιακό νεφέλωμα. Η βαρύτητα κατέρρευσε το υλικό από μόνη της καθώς άρχισε να περιστρέφεται, σχηματίζοντας τον ήλιο στο κέντρο του νεφελώματος.
Με την άνοδο του ήλιου, το υπόλοιπο υλικό άρχισε να συσσωρεύεται. Μικρά σωματίδια συγκεντρώθηκαν, δεσμευμένα από τη δύναμη της βαρύτητας, σε μεγαλύτερα σωματίδια. Ο ηλιακός άνεμος σκούπισε ελαφρύτερα στοιχεία, όπως υδρογόνο και ήλιο, από τις κοντινότερες περιοχές, αφήνοντας μόνο βαριά, βραχώδη υλικά για να δημιουργήσουν επίγειους κόσμους. Αλλά πιο μακριά, οι ηλιακοί άνεμοι είχαν λιγότερες επιπτώσεις σε ελαφρύτερα στοιχεία, επιτρέποντάς τους να συγκεντρωθούν σε γίγαντες φυσικού αερίου όπως ο Ουρανός. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργήθηκαν αστεροειδείς, κομήτες, πλανήτες και φεγγάρια.
Σε αντίθεση με τους περισσότερους γίγαντες φυσικού αερίου, ο Ουρανός έχει έναν πυρήνα που είναι βραχώδες και όχι αέριο. Ο πυρήνας πιθανότατα σχηματίστηκε πρώτα και στη συνέχεια συγκέντρωσε το υδρογόνο, το ήλιο και το μεθάνιο που συνθέτουν την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Η θερμότητα από τον πυρήνα οδηγεί τη θερμοκρασία και τον καιρό του Ουρανού, εξουδετερώνοντας τη θερμότητα που προέρχεται από τον μακρινό ήλιο, που είναι σχεδόν 2 δισεκατομμύρια μίλια μακριά.
Ορισμένες παρατηρήσεις εξωπλανήτη φαίνεται να επιβεβαιώνουν την αύξηση του πυρήνα ως την κυρίαρχη διαδικασία σχηματισμού. Αστέρια με περισσότερα "μέταλλα" - έναν όρο αστρονόμοι που χρησιμοποιούν στοιχεία εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο - στους πυρήνες τους έχουν περισσότερους γιγαντιαίους πλανήτες από τα ξαδέλφια τους που δεν έχουν μέταλλο. Σύμφωνα με τη NASA, η βασική αύξηση δείχνει ότι οι μικροί, βραχώδεις κόσμοι πρέπει να είναι πιο συνηθισμένοι από τους πιο μαζικούς γίγαντες φυσικού αερίου.
Η ανακάλυψη του 2005 ενός γιγαντιαίου πλανήτη με τεράστιο πυρήνα σε τροχιά γύρω από το αστέρι HD 149026 που μοιάζει με τον ήλιο είναι ένα παράδειγμα ενός εξωπλανήτη που βοήθησε στην ενίσχυση της θήκης για αύξηση του πυρήνα.
"Αυτή είναι μια επιβεβαίωση της βασικής θεωρίας συσσώρευσης για τον σχηματισμό πλανητών και απόδειξη ότι τέτοιοι πλανήτες πρέπει να υπάρχουν σε αφθονία", δήλωσε ο Γκρεγκ Χένρι σε δελτίο τύπου. Ο Χένρι, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί, στο Νάσβιλ, εντόπισε τη σκοτεινιά του αστεριού.
Το 2017, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος σχεδιάζει να λανσάρει το χαρακτηριστικό ExOPlanet Satellite (CHEOPS), ο οποίος θα μελετήσει εξωπλανήτες που κυμαίνονται σε μεγέθη, από υπερ-Γη έως Ποσειδώνα. Η μελέτη αυτών των μακρινών κόσμων μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο σχηματίστηκαν πλανήτες στο ηλιακό σύστημα.
"Στο βασικό σενάριο αύξησης, ο πυρήνας ενός πλανήτη πρέπει να φτάσει σε μια κρίσιμη μάζα προτού μπορέσει να συγκεντρώσει αέριο με έναν δραπέτη τρόπο", δήλωσε η ομάδα CHEOPS. "Αυτή η κρίσιμη μάζα εξαρτάται από πολλές φυσικές μεταβλητές, μεταξύ των πιο σημαντικών από τις οποίες είναι ο ρυθμός αύξησης των πλανητικών ψηφίων."
Μελετώντας τον τρόπο με τον οποίο οι πλανήτες αυξάνουν το υλικό, το CHEOPS θα παρέχει πληροφορίες για το πώς μεγαλώνουν οι κόσμοι.
Το μοντέλο αστάθειας δίσκου
Αλλά η ανάγκη για ταχεία διαμόρφωση για τους γιγαντιαίους πλανήτες αερίου είναι ένα από τα προβλήματα της αύξησης του πυρήνα. Σύμφωνα με τα μοντέλα, η διαδικασία διαρκεί αρκετά εκατομμύρια χρόνια, περισσότερο από ό, τι τα ελαφριά αέρια ήταν διαθέσιμα στο πρώιμο ηλιακό σύστημα. Ταυτόχρονα, το βασικό μοντέλο αύξησης αντιμετωπίζει ένα ζήτημα μετανάστευσης, καθώς οι πλανήτες του μωρού είναι πιθανό να περιστραφούν στον ήλιο σε σύντομο χρονικό διάστημα.
"Οι γιγαντιαίοι πλανήτες σχηματίζονται πολύ γρήγορα, σε λίγα εκατομμύρια χρόνια", δήλωσε ο Kevin Walsh, ερευνητής στο Southwest Research Institute στο Boulder του Κολοράντο. "Αυτό δημιουργεί ένα χρονικό όριο επειδή ο δίσκος αερίου γύρω από τον ήλιο διαρκεί μόνο 4 έως 5 εκατομμύρια χρόνια."
Σύμφωνα με μια σχετικά νέα θεωρία, η αστάθεια του δίσκου, οι συσσωρεύσεις σκόνης και αερίου συνδέονται μεταξύ τους νωρίς στη ζωή του ηλιακού συστήματος. Με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι συσσωματώσεις σιγά-σιγά συμπιέζονται σε έναν τεράστιο πλανήτη. Αυτοί οι πλανήτες μπορούν να σχηματιστούν γρηγορότερα από τους βασικούς αντιπάλους τους, μερικές φορές σε μόλις χίλια χρόνια, επιτρέποντάς τους να παγιδεύσουν τα ταχύτερα εξαφανισμένα αέρια. Φτάνουν επίσης γρήγορα σε μια σταθεροποιητική τροχιά μάζα που τους κρατά από το θάνατο που βαδίζει στον ήλιο.
Καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να μελετούν πλανήτες μέσα στο ηλιακό σύστημα, καθώς και γύρω από άλλα αστέρια, θα κατανοήσουν καλύτερα πώς σχηματίστηκε ο Ουρανός και τα αδέλφια του.
Συγκέντρωση με βότσαλα
Η μεγαλύτερη πρόκληση για την αύξηση του πυρήνα είναι ο χρόνος - η κατασκευή τεράστιων γιγάντων φυσικού αερίου αρκετά γρήγορα για να αρπάξει τα ελαφρύτερα συστατικά της ατμόσφαιρας τους. Πρόσφατη έρευνα σχετικά με το πόσο μικρότερα αντικείμενα μεγέθους με βότσαλα συντήχθηκαν μαζί για να χτίσουν γιγάντιους πλανήτες έως και 1000 φορές ταχύτερα από τις προηγούμενες μελέτες.
"Αυτό είναι το πρώτο μοντέλο που γνωρίζουμε ότι ξεκινάτε με μια πολύ απλή δομή για το ηλιακό νεφέλωμα από το οποίο σχηματίζονται οι πλανήτες και καταλήγετε με το σύστημα γιγαντιαίων πλανητών που βλέπουμε", δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Harold Levison, αστρονόμος στο Southwest Research Institute (SwRI) στο Κολοράντο, δήλωσε στο Space.com το 2015.
Το 2012, οι ερευνητές Michiel Lambrechts και Anders Johansen από το πανεπιστήμιο Lund της Σουηδίας πρότειναν ότι τα μικροσκοπικά βότσαλα, μόλις διαγραφούν, κρατούσαν το κλειδί για την ταχεία κατασκευή γιγάντιων πλανητών.
"Έδειξαν ότι τα εναπομείναντα βότσαλα από αυτήν τη διαδικασία σχηματισμού, τα οποία προηγουμένως θεωρούνταν ασήμαντα, θα μπορούσαν στην πραγματικότητα να είναι μια τεράστια λύση στο πρόβλημα σχηματισμού πλανητών", δήλωσε ο Levison.
Ο Levison και η ομάδα του βασίστηκαν σε αυτήν την έρευνα για να μοντελοποιήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια πώς τα μικροσκοπικά βότσαλα θα μπορούσαν να σχηματίσουν πλανήτες που φαίνονται στον γαλαξία σήμερα. Ενώ οι προηγούμενες προσομοιώσεις, τόσο τα μεγάλα όσο και τα μεσαία αντικείμενα κατανάλωναν τα ξαδέλφια τους με βότσαλο με σχετικά σταθερό ρυθμό, οι προσομοιώσεις του Levison υποδηλώνουν ότι τα μεγαλύτερα αντικείμενα ενήργησαν περισσότερο σαν εκφοβιστές, αποσπώντας βότσαλα από τις μεσαίες μάζες για να αναπτυχθούν σε πολύ ταχύτερα τιμή.
"Τα μεγαλύτερα αντικείμενα τείνουν τώρα να διασκορπίζουν τα μικρότερα περισσότερο από τα μικρότερα να τα διασκορπίζουν πίσω, οπότε τα μικρότερα καταλήγουν να διασκορπίζονται από το δίσκο με βότσαλα", δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Katherine Kretke, επίσης από τη SwRI, στο Space.com. . "Ο μεγαλύτερος άντρας βασικά εκφοβίζει το μικρότερο, ώστε να μπορεί να φάει όλα τα βότσαλα και μπορεί να συνεχίσει να μεγαλώνει για να σχηματίσει τους πυρήνες των γιγαντιαίων πλανητών."
Η συσσώρευση με βότσαλα είναι πιο πιθανό να λειτουργεί για τους γιγάντιους πλανήτες από τους επίγειους κόσμους. Σύμφωνα με τον Sean Raymond, του Πανεπιστημίου του Μπορντό της Γαλλίας, αυτό συμβαίνει επειδή τα "βότσαλα" είναι λίγο μεγαλύτερα και πολύ πιο εύκολα να συγκρατηθούν πέρα από τη γραμμή χιονιού, τη φανταστική γραμμή όπου το αέριο είναι αρκετά κρύο για να γίνει πάγος.
"Για βότσαλα, είναι σίγουρα λίγο καλύτερο να ξεπεράσεις τη γραμμή χιονιού", δήλωσε ο Raymond στο Space.com.
Ενώ η προσθήκη βότσαλου λειτουργεί καλά για τους γίγαντες φυσικού αερίου, υπάρχουν μερικές προκλήσεις για τους γίγαντες του πάγου. Αυτό συμβαίνει επειδή τα σωματίδια μεγέθους χιλιοστόμετρου έως εκατοστόμετρου συσσωρεύονται εξαιρετικά αποτελεσματικά.
"Αυξάνουν τόσο γρήγορα που είναι δύσκολο να υπάρχουν πυρήνες γιγαντιαίου πάγου περίπου στις τρέχουσες πυρήνες τους για ένα σημαντικό κλάσμα της διάρκειας ζωής του δίσκου ενώ συγκεντρώνουν ένα φάκελο αερίου", έγραψαν οι Frelikh και Murray-Clay.
"Για να αποφευχθεί η φυγή, πρέπει επομένως να ολοκληρώσουν την ανάπτυξή τους σε μια συγκεκριμένη στιγμή, όταν ο δίσκος αερίου είναι μερικώς, αλλά όχι εξ ολοκλήρου, εξαντλημένος."
Το ζευγάρι πρότεινε ότι η πλειοψηφία της αύξησης του αερίου στους πυρήνες του Ουρανού και του Ποσειδώνα συνέπεσε με την κίνησή τους μακριά από τον ήλιο. Αλλά τι θα μπορούσε να τους κάνει να αλλάξουν το σπίτι τους στο ηλιακό σύστημα;
Ένα ωραίο μοντέλο
Αρχικά, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι πλανήτες σχηματίστηκαν στο ίδιο μέρος του ηλιακού συστήματος στο οποίο ζουν σήμερα. Η ανακάλυψη των εξωπλανητών συγκλόνισε τα πράγματα, αποκαλύπτοντας ότι τουλάχιστον μερικά από τα πιο τεράστια αντικείμενα θα μπορούσαν να μεταναστεύσουν.
Το 2005, ένα τρίο εφημερίδων που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature πρότεινε ότι ο Ουρανός και οι άλλοι γιγαντιαίοι πλανήτες ήταν συνδεδεμένοι σε σχεδόν κυκλικές τροχιές πολύ πιο συμπαγείς από ότι είναι σήμερα. Ένας μεγάλος δίσκος πετρωμάτων και παγωμένων τους περιβάλλει, απλώνεται περίπου 35 φορές την απόσταση της Γης-ήλιου, ακριβώς πέρα από την παρούσα τροχιά του Ποσειδώνα. Το ονόμασαν αυτό το μοντέλο της Νίκαιας, μετά την πόλη στη Γαλλία όπου το συζήτησαν για πρώτη φορά. (Αυτό προφέρεται Neese.)
Καθώς οι πλανήτες αλληλεπίδρασαν με τα μικρότερα σώματα, διασκόρπισαν τα περισσότερα από αυτά προς τον ήλιο. Η διαδικασία τους έκανε να ανταλλάσσουν ενέργεια με τα αντικείμενα, στέλνοντας τον Κρόνο, τον Ποσειδώνα και τον Ουρανό πιο μακριά στο ηλιακό σύστημα. Τελικά, τα μικρά αντικείμενα έφτασαν στον Δία, το οποίο τους έστειλε να πετάνε στην άκρη του ηλιακού συστήματος ή εντελώς έξω από αυτό.
Η κίνηση μεταξύ του Δία και του Κρόνου οδήγησε τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα σε ακόμη πιο εκκεντρικές τροχιές, στέλνοντας το ζευγάρι μέσω του υπόλοιπου δίσκου παγωμένων. Κάποιο από τα υλικά πέταξε προς τα μέσα, όπου έπεσε στους χερσαίους πλανήτες κατά τη διάρκεια του Ύστερου Βαρέου Βομβαρδισμού. Άλλο υλικό πέταξε προς τα έξω, δημιουργώντας τη ζώνη Kuiper.
Καθώς κινούνται αργά προς τα έξω, ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός ανταλλάσσουν θέσεις. Τελικά, οι αλληλεπιδράσεις με τα υπόλοιπα συντρίμμια προκάλεσαν το ζεύγος να εγκατασταθεί σε πιο κυκλικές διαδρομές καθώς έφτασαν στην τρέχουσα απόσταση από τον ήλιο.
Στην πορεία, είναι πιθανό ένας ή ακόμη και δύο άλλοι γιγαντιαίοι πλανήτες να διωχθούν από το σύστημα. Ο αστρονόμος David Nesvorny του Southwest Research Institute στο Κολοράντο έχει μοντελοποιήσει το πρώιμο ηλιακό σύστημα σε αναζήτηση ενδείξεων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην κατανόηση της πρώιμης ιστορίας του.
"Τις πρώτες μέρες, το ηλιακό σύστημα ήταν πολύ διαφορετικό, με πολλούς περισσότερους πλανήτες, ίσως τόσο μαζικούς όσο ο Ποσειδώνας, σχηματίζοντας και διασκορπισμένοι σε διαφορετικά μέρη", δήλωσε ο Nesvorny στο Space.com.
Μια επικίνδυνη νεολαία
Το πρώιμο ηλιακό σύστημα ήταν μια εποχή βίαιων συγκρούσεων και ο Ουρανός δεν εξαιρέθηκε. Ενώ η επιφάνεια του φεγγαριού και του υδραργύρου δείχνουν και τα δύο στοιχεία βομβαρδισμού από μικρότερους βράχους και αστεροειδείς, ο Ουρανός προφανώς υπέστη σημαντική σύγκρουση με έναν πρωτοπλανήτη μεγέθους Γης. Ως αποτέλεσμα, ο Ουρανός έχει άκρη στο πλάι του, με έναν πόλο στραμμένο προς τον ήλιο για μισό χρόνο.
Ο Ουρανός είναι ο μεγαλύτερος από τους γίγαντες του πάγου, ίσως εν μέρει επειδή έχασε μέρος της μάζας του κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης.
