Sistemele aflate în fazele incipiente ale formării experimentează cel mai mare număr de impact datorită prezenței unui număr imens de embrioni pe orbitele instabile. Vom putea să luăm în considerare aceste procese și să dezvăluim trecutul Pământului?
În stadiile finale ale formării planetei, tinerii embrioni planetari se prăbușesc în alte protoplanete, determinând topirea intensă a suprafețelor și a mantalelor lor. O astfel de coliziune între viitorul Pământ și Theia care a lovit-o a creat sistemul Pământ-Lună și a dus la apariția oceanului magma: un amestec de silicați și volatile topite care se extinde pe întreaga mantie. Oceane de magmă au pregătit scena pentru suprafața și atmosfera timpurie pe care în cele din urmă s-au dezvoltat condițiile de viață.
Coliziunea Pământului nou-născut și a Theiei (un obiect de dimensiunea lui Marte), care a provocat formarea Lunii.
Din păcate pentru geofizicieni, dar, din fericire, pentru viață, în general, câteva miliarde de ani de tectonică de plăci de pe Pământ au distrus semnele clare ale unui ocean de magmă și astfel oamenii de știință nu înțeleg cu greu cum această lume fierbinte și topită s-a transformat într-o planetă locuibilă. Cu toate acestea, se crede că principiile generale ale formării planetelor stâncoase sunt similare în sistemele altor stele și, prin urmare, cele mai puternice impacturi nu sunt rare pe planetele care se formează în prezent pe orbitele stelelor tinere.
Acest lucru face posibilă captarea unei imagini a rezultatului ulterior din impacturile gigantice în sistemele exoplanetare. Detectarea directă a unui protoplanet topit va fi cheia etapelor timpurii ale evoluției planetare.
Vânătoarea lumilor topite
Protoplanetele tinere sunt foarte calde și luminoase, deoarece temperaturile lor de suprafață pot atinge 3000 ° C. Astfel, s-ar putea crede că sunt ușor de observat pe cerul nopții, dar, din păcate, acest lucru nu este în întregime adevărat. De fapt, pe măsură ce mantaua topită se solidifică, volatilele dizolvate, cum ar fi apa și dioxidul de carbon, sunt eliberate treptat în atmosferă. În absența vânturilor stelare puternice sau a nivelurilor ridicate de radiații ultraviolete de la stea, atmosfera planetei se va îngroșa, ascunzând astfel suprafața. Procedând astfel, va acționa ca o pătură, prelungind perioada de răcire a oceanului magma.
Video promotional:
O reprezentare artistică a unui exoplanet acoperit în oceanele de magmă.
Deși existența oceanelor de magmă a fost sugerată de modele teoretice de formare planetară, topirea globală a corpurilor ca urmare a coliziunilor dintre protoplanete nu a fost încă observată. Deoarece se estimează că numărul acestor impacturi va scădea treptat în timp, sistemele planetare tinere oferă cele mai bune șanse de detectare a acestor obiecte.
Cu toate acestea, pentru a fi vizibile, aceste corpuri topite trebuie să satisfacă două condiții. În primul rând, nu fi prea aproape de steaua lor, altfel telescopul nu va putea separa protoplaneta topită de gazda sa strălucitoare. În al doilea rând, o cantitate suficientă de radiații din oceanul magmă trebuie să pătrundă în atmosferă.
În ceea ce privește radiațiile emise, protoplanetele topite sunt o țintă atractivă pentru imagistica directă, deoarece sunt mult mai strălucitoare decât planetele mai vechi ca Pământul. Deci, dacă vrem vreodată să începem să colectăm fotografii imediate ale planetelor extrasolare asemănătoare Pământului, atunci protoplanetele topite este un loc bun pentru a începe!
Care sunt șansele de a detecta ulterior?
Din păcate, chiar și cu cele mai avansate instrumente imagistice, detectarea directă a planetelor topite rămâne la îndemână. Cu toate acestea, anii 2020 vor vedea era telescoapelor colosale la sol: ELS (Extremely Large Telescope (ELT)) din Chile, Telescopul Magellanic Giant (GMT) din Chile și Telescopul treizeci de metri (TMT) din Hawaii. Pe lângă noile observatoare bazate pe sol, se iau în considerare conceptele pentru viitoarele misiuni spațiale pentru imagistica directă a planetelor stâncoase în zonele locuibile ale stelelor asemănătoare soarelui, în special interferometrul LIFE (Large Interferometer for Exoplanet), care promite o precizie fără precedent în caracterizarea planetelor extrasolare.
Reprezentare artistică a telescopului extrem de mare al ESO.
Probabilitatea de a vedea o planetă topită depinde de doi factori principali: numărul cumulat de impacturi gigant experimentate de obiecte în sistemul planetar și intervalul de timp în care corpul topit rămâne suficient de fierbinte pentru a fi detectat.
Pentru a determina probabilitatea observării protoplanetelor topite, trebuie mai întâi să stabiliți probabilitatea de impact gigant prin simularea formării planetare. Simulările computerizate urmăresc evoluția orbitei și creșterea embrionilor planetari pe măsură ce acestea se contopesc în planete cu drepturi depline în timpul coliziunilor.
Sistemele aflate în fazele incipiente ale formării experimentează cel mai mare număr de impact datorită prezenței unui număr imens de embrioni pe orbitele instabile. Acestea fiind spuse, acei pitici roșii care orbitează, cele mai obișnuite stele din Calea Lactee, vor fi loviți de aproape două ori mai mult decât cei din jurul omologilor noștri ai Soarelui. Acest lucru este foarte promițător în ceea ce privește probabilitatea apariției oceanelor magmatice, dar există un avertisment: protoplanetele din astfel de sisteme vor fi localizate pe orbitele apropiate și, prin urmare, nu pot fi separate de radiațiile stelelor. În plus, coliziunile vor fi mai puțin energice și, prin urmare, corpurile vor fi plictisitoare. Astfel, observabilitatea potențială devine o funcție a vârstei stelei, a numărului de impacturi și a energiei de coliziune.
Având în vedere frecvența apariției oceanelor de magmă, oamenii de știință au calculat evoluția și perioada de existență a oceanelor de magmă pentru a determina schimbările de temperatură a suprafeței în funcție de dimensiunea planetei și de grosimea atmosferei sale, care este exprimată în așa-numita emisivitate: cu cât este mai mică, cu atât este mai izolantă atmosfera.
O reprezentare artistică a unui tânăr exoplanet care este bombardat constant de embrioni pe orbitele instabile.
Protoplanetele mari, cu o atmosferă groasă, vor susține oceanele de magmă mai mult timp, dar vor prezenta și radiații mai mici și sunt mult mai probabil să fie sub nivelul de sensibilitate al telescoapelor. Este important de menționat că compoziția probabilă a exoprotoplanetelor poate diferi semnificativ de planetele timpurii ale sistemului solar. Astfel, emisivitatea depinde de un parametru suplimentar: o varietate de compoziții și mase de atmosfere exoplanetare.
Desigur, cel mai bun loc pentru a începe să căutați planete topite cu ELT sau LIFE este determinat de apropierea de sistemul solar. Cele mai promițătoare ținte sunt grupurile stelare tinere, din apropiere și masive. Imaginează-ți că oamenii de știință au deja un telescop „adecvat” și trebuie să vizualizeze toate stelele individuale dintr-o asociație. Se va găsi un protoplanet topit? Nici da, nici nu. Răspunsul este probabilitatea statistică, în funcție de o serie de parametri fizici.
Poza panoramică a asociației Carina OB1, care conține mai multe grupuri de stele tinere, precum clusterul Trumpler 14, care găzduiește aproximativ 2.000 de stele. Sistemele cele mai apropiate de noi, ca acesta, sunt țintele principale pentru detectarea coliziunilor protoplanetelor.
De exemplu, asociația β Pictoris (Beta Pictoris), situată la 63 de ani lumină de Soare, include 31 de stele cu o vârstă medie de 23 de milioane de ani. Probabilitatea de a detecta cel puțin o planetă cu un ocean de magmă printre sistemele lor planetare va fi neglijabilă cu un filtru insensibil, dar poate ajunge la 80% pentru observațiile cu LIFE la 5,6 micrometri sau cu ELT la 2,2 micrometri.
Ce înseamnă aceste numere și ce să facem în continuare?
Mai rămân o serie de întrebări. De exemplu, nu este încă clar dacă planetele se nasc în jurul tuturor stelelor și ce tipuri de planete ar trebui să fie așteptate în funcție de clasa stelei.
Studii anterioare, care au discutat despre observabilitatea potențială a planetelor topite, s-au întrebat dacă ulterior un impact uriaș, similar cu cel creat pe Lună, ar putea fi înregistrat în condiții de proto-Pământ. Cu toate acestea, un sondaj asupra exoplanetelor din ultimele decenii a arătat că multe dintre caracteristicile lor (compoziție, masă, rază, orbită și altele) sunt sălbatic diferite de tot ceea ce a fost asumat ca urmare a studierii sistemului solar. Prin urmare, oamenii de știință se așteaptă la diferențe uriașe între proprietățile compoziționale ale protoplanetelor tinere și atmosferele lor, adică, problema observației potențiale a proto-Pământului format este interesantă, dar nu este importantă din cauza probabilității nesemnificative a prezenței unor astfel de protoplanete în apropierea previzibilă a Soarelui.
Mii de sisteme stelare care trăiesc pe Calea Lactee.
Pentru a ne apropia mai mult de detectarea unui protoplanet topit în următorii ani, trebuie abordate mai multe întrebări cheie: care sunt variațiile tipice din atmosfera planetelor stâncoase, cum sunt distribuite volatilele între mantie și atmosferă?
Campaniile de observație vor permite oamenilor de știință să-și îmbunătățească înțelegerea proprietăților atmosferice și a distribuțiilor compoziționale. În plus, va fi necesar să se limiteze mai bine caracteristicile stelelor membre individuale ale celor mai promițătoare asociații: β Pictoris, Columba, TW Hydrae și Tucana-Horologium. Aceasta necesită eforturile comune ale teoreticienilor și observatorilor, astronomi, geofizicieni și geochimiști.
În cele din urmă, cândva în viitorul nu prea îndepărtat, este posibil să vedem o lume tânără strălucitoare care poate nu este atât de diferită de propria noastră casă din univers.
Arina Vasilieva
