TEORIA AKRECJI: TŁO I WYJAŚNIENIE - FIZYCZNY - 2024

T akrecji eoría (lub akrecji) astrofizyki, wyjaśnia, że planety i innych ciał niebieskich są utworzone przez kondensację małe cząstki pyłu są przyciągane przez siłę ciężkości.

Ideę formowania się planet w ten sposób wysunął rosyjski geofizyk Otto Schmidt (1891-1956) w 1944 roku; Zaproponował, że we wczesnym Układzie Słonecznym Słońce otacza olbrzymia chmura gazu i pyłu w kształcie spłaszczonego dysku.

Rysunek 1. Koncepcja dysku protoplanetarnego, z którego w wyniku akrecji powstają planety. Źródło: Wikimedia Commons.

Schmidt twierdził, że Słońce uzyskało ten obłok w połączeniu z inną gwiazdą, która swoim ruchem przez galaktykę przeszła w tym samym czasie przez mgławicę bogatą w pył i gaz. Bliskość drugiej gwiazdy pomogła naszej w uchwyceniu materii, która później się skondensowała.

Hipotezy dotyczące powstania Układu Słonecznego dzielą się na dwie kategorie: ewolucyjne i katastroficzne. Pierwsi twierdzą, że zarówno Słońce, jak i planety ewoluują w ramach jednego procesu i sięgają do idei zaproponowanych przez Inmanuela Kanta (1724-1804) i Pierre'a Simona de Laplace'a (1749-1827).

Drugi wskazuje na katastroficzne wydarzenie, takie jak zderzenie lub bliskość innej gwiazdy, jako wyzwalacze formowania się planet. Początkowo hipoteza Schmidta należała do tej kategorii.

Wyjaśnienie

Obecnie istnieją obserwacje młodych układów gwiazd i mocy obliczeniowej wystarczającej do przeprowadzenia symulacji numerycznych. Dlatego teorie katastroficzne zostały porzucone na rzecz teorii ewolucyjnych.

Hipoteza mgławicowa dotycząca powstawania Układu Słonecznego jest obecnie najbardziej akceptowana przez społeczność naukową, utrzymując akrecję jako proces formowania się planet.

W przypadku naszego Układu Słonecznego, 4,5 miliarda lat temu, przyciąganie grawitacyjne zebrało maleńkie cząsteczki kosmicznego pyłu - o wielkości od kilku angstremów do 1 centymetra - wokół centralnego punktu, tworząc chmurę.

Ta chmura była miejscem narodzin Słońca i jego planet. Spekuluje się, że źródłem kosmicznego pyłu może być poprzednia eksplozja supernowej: gwiazdy, która zapadła się gwałtownie i rozproszyła swoje pozostałości w przestrzeni.

W najgęstszych obszarach chmury cząstki zderzały się częściej ze względu na ich bliskość i zaczęły tracić energię kinetyczną.

Następnie energia grawitacyjna spowodowała zapadnięcie się chmury pod wpływem własnej grawitacji. Tak narodził się protogwiazda. Grawitacja działała tak długo, aż utworzyła dysk, z którego powstały pierwsze pierścienie, a później planety.

W międzyczasie Słońce w centrum uległo zagęszczeniu, a gdy osiągnęło określoną masę krytyczną, zaczęły zachodzić w nim reakcje syntezy jądrowej. To właśnie te reakcje utrzymują Słońce i wszelkie gwiazdy.

Wysokoenergetyczne cząstki zostały wyrzucone ze Słońca, znanego jako wiatr słoneczny. Pomogło to oczyścić gruz, wyrzucając go.

Powstawanie planet

Astronomowie przypuszczają, że po narodzinach naszego gwiezdnego króla dysk pyłu i gazu, który go otaczał, pozostał tam przez co najmniej 100 milionów lat, dając wystarczająco dużo czasu na uformowanie się planet.

Rysunek 2. Schemat dzisiejszego Układu Słonecznego. Źródło: Wikimedia Commons.

W naszej skali czasu ten okres wygląda jak wieczność, ale w rzeczywistości jest to tylko krótka chwila w czasie wszechświata.

W tym czasie powstały większe obiekty o średnicy około 100 km, zwane planetozymalami. Są embrionami przyszłej planety.

Energia nowo narodzonego Słońca pomogła w odparowaniu gazów i pyłu z dysku, co znacznie skróciło czas narodzin nowych planet. Tymczasem zderzenia nadal dodawały materii, ponieważ jest to właśnie akrecja.

Modele formowania się planet

Patrząc na młode gwiazdy w formacji, naukowcy uzyskują wgląd w to, jak uformował się nasz własny układ słoneczny. Na początku była trudność: te gwiazdy są ukryte w widzialnym zakresie częstotliwości z powodu otaczających je chmur kosmicznego pyłu.

Ale dzięki teleskopom z czujnikami podczerwieni można penetrować kosmiczną chmurę pyłu. Wykazano, że w większości mgławic w Drodze Mlecznej formują się gwiazdy i na pewno planety im towarzyszące.

Trzy modele

Na podstawie wszystkich zebranych do tej pory informacji, zaproponowano trzy modele formowania się planet. Najpowszechniej akceptowaną teorią jest teoria akrecji, która sprawdza się dobrze w przypadku planet skalistych, takich jak Ziemia, ale nie tak dobrze w przypadku gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz i inne planety zewnętrzne.

Drugi model jest wariantem poprzedniego. Oznacza to, że najpierw powstają skały, które przyciągają się grawitacyjnie, przyspieszając formowanie się planet.

Wreszcie trzeci model oparty jest na niestabilności dysku i to on najlepiej wyjaśnia powstawanie gazowych gigantów.

Model akrecji jądrowej i planety skaliste

Wraz z narodzinami Słońca pozostały materiał zaczął się zlepiać. Utworzyły się większe gromady, a lekkie pierwiastki, takie jak hel i wodór, zostały porwane przez wiatr słoneczny do regionów dalej od centrum.

W ten sposób cięższe pierwiastki i związki, takie jak metale i krzemiany, mogły dać początek skalistym planetom w pobliżu Słońca. Następnie rozpoczął się proces różnicowania geochemicznego i uformowały się różne warstwy Ziemi.

Z drugiej strony wiadomo, że wpływ wiatru słonecznego zanika wraz z odległością. Z dala od Słońca mogą gromadzić się gazy utworzone przez lekkie pierwiastki. Na tych odległościach ujemne temperatury sprzyjają kondensacji cząsteczek wody i metanu, prowadząc do powstania planet gazowych.

Astronomowie twierdzą, że istnieje granica, zwana „linią lodu” pomiędzy Marsem a Jowiszem, wzdłuż pasa asteroid. Tam częstość zderzeń była niższa, ale wysokie tempo kondensacji doprowadziło do powstania planetozymali o znacznie większych rozmiarach.

W ten sposób powstały gigantyczne planety w procesie, który, co ciekawe, zajął mniej czasu niż proces formowania się planet skalistych.

Teoria akrecji i egzoplanety

Po odkryciu egzoplanet i zebraniu informacji na ich temat naukowcy są dość pewni, że model akrecji jest głównym procesem formowania się planet.

Dzieje się tak, ponieważ model bardzo dobrze wyjaśnia powstawanie planet skalistych, takich jak Ziemia. Mimo wszystko spora część odkrytych dotychczas egzoplanet jest typu gazowego, o wielkości porównywalnej z Jowiszem lub znacznie większej.

Obserwacje wskazują również, że planety gazowe dominują wokół gwiazd z cięższymi pierwiastkami w jądrach. Z drugiej strony, skaliste formują się wokół gwiazd o jasnych jądrach, a jednym z nich jest Słońce.

Rysunek 3. Przedstawienie przez artystę egzoplanety Kepler 62f wokół swojej gwiazdy, w konstelacji Lyry. Źródło: Wikimedia Commons.

Jednak w 2005 roku odkryto w końcu skalistą egzoplanetę krążącą wokół gwiazdy typu słonecznego. W pewnym sensie to odkrycie i inne, które nastąpiły po nim, wskazują, że planety skaliste są również stosunkowo liczne.

W celu badania egzoplanet i ich powstawania, w 2017 roku Europejska Agencja Kosmiczna uruchomiła satelitę CHEOPS (Characterizing ExOPlanets Satellite). Satelita wykorzystuje bardzo czuły fotometr do pomiaru światła z innych układów gwiazd.

Kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą, doświadcza spadku jasności. Analizując to światło, można określić rozmiar i czy jest to gazowe czy skaliste olbrzymy, takie jak Ziemia i Mars.

Na podstawie obserwacji w młodych systemach będzie można zrozumieć, w jaki sposób zachodzi akrecja podczas formowania się planet.

Bibliografia

1. Kraj. To „Cheops”, hiszpański satelita do pomiaru egzoplanet. Odzyskany z: elpais.com.
2. Planet Hunters. Co tak naprawdę rozumiemy na temat formowania się planet? Odzyskane z: blog.planethunters.org.
3. Sergeev, A. Zrodzony z kurzu. Odzyskany z: vokrugsveta.ru.
4. Formacja Układu Słonecznego. Rozdział 8. Odzyskany z: asp.colorado.edu.
5. Taylor, N. Jak powstał Układ Słoneczny? Odzyskany z: space.com.
6. Woolfson, M. Pochodzenie i ewolucja układu słonecznego. Odzyskany z: Academic.oup.com.