Systemer i de tidlige stadier av dannelsen opplever størst antall påvirkninger på grunn av tilstedeværelsen av et stort antall embryoer i ustabile baner. Vil vi være i stand til å vurdere disse prosessene og avsløre jordens fortid?
I de siste stadiene av planetdannelsen krasjer unge planetariske embryoer i andre protoplaneter, og får overflater og mantler til å smelte intenst. En slik kollisjon mellom den fremtidige Jorden og Theia som slo den, skapte Earth-Moon-systemet og førte til fremveksten av magmahavet: en blanding av smeltet silikater og flyktige stoffer som strekker seg gjennom hele mantelen. Ocean of magma satte scenen for den tidlige overflaten og atmosfæren som livsforholdene etter hvert utviklet seg til.
Kollisjonen mellom den nyfødte Jorden og Theia (en gjenstand på størrelse med Mars), som forårsaket dannelsen av Månen.
Dessverre for geofysikere, men heldigvis for livet generelt, har flere milliarder år med platetektonikk på Jorden ødelagt de tydelige tegnene på et hav av magma, og så forskere forstår knapt hvordan denne varme og smeltede verdenen ble en beboelig planet. Imidlertid antas det at de generelle prinsippene for dannelse av steinete planeter er like i systemer av andre stjerner, og at de kraftigste virkningene derfor ikke er sjeldne på planeter som for tiden dannes i banene til unge stjerner.
Dette gjør det mulig å fange et øyeblikksbilde av ettergløden fra gigantiske påvirkninger i eksoplanetære systemer. Direkte påvisning av et smeltet protoplanet vil være nøkkelen til de tidlige stadiene av planetarisk evolusjon.
Jakten på smeltede verdener
Unge protoplaneter er veldig varme og lyse, da overflatetemperaturene kan nå 3000 ° C. Dermed kan man tro at de er lette å oppdage på nattehimmelen, men dessverre er det ikke helt sant. Når den smeltede mantelen stivner, frigjøres faktisk oppløste flyktige stoffer som vann og karbondioksid gradvis i atmosfæren. I mangel av sterk stjernevind eller høye nivåer av ultrafiolett stråling fra stjernen, vil planetens atmosfære tykne og derved skjule overflaten. Ved å gjøre det vil det fungere som et teppe og forlenge kjøleperioden for magmahavet.
Salgsfremmende video:
En kunstnerisk fremstilling av en eksoplanett dekket i hav av magma.
Mens eksistensen av magmahav har blitt antydet av teoretiske modeller for planetarisk dannelse, har global smelting av kropper som følge av kollisjoner mellom protoplaneter ennå ikke blitt observert. Siden antallet slike påvirkninger forventes å avta gradvis over tid, tilbyr unge planetariske systemer de beste sjansene for å oppdage slike gjenstander.
For å være synlige, må disse smeltede kroppene imidlertid tilfredsstille to betingelser. Først, ikke være for nær stjernen deres, ellers vil ikke teleskopet kunne skille den smeltede protoplaneten fra den lyse verten. For det andre må en tilstrekkelig mengde stråling fra magmahavet trenge inn i atmosfæren.
Når det gjelder utsendt stråling, er smeltede protoplaneter et attraktivt mål for direkte avbildning fordi de er mye lysere enn eldre planeter som Jorden. Så hvis vi noen gang vil begynne å samle øyeblikkelige bilder av jordlignende ekstrasolare planeter, er smeltede protoplaneter et bra sted å starte!
Hva er sjansene for å oppdage etterglødning?
Selv med de mest avanserte avbildingsverktøyene, forblir direkte påvisning av smeltede planeter dessverre utenfor rekkevidde. Imidlertid vil 2020-årene se tiden fra kolossale bakkebaserte teleskoper: ESOs Extremely Large Telescope (ELT) i Chile, Giant Magellanic Telescope (GMT) i Chile og Thirty Meter Telescope (TMT) på Hawaii. I tillegg til nye bakkebaserte observatorier, vurderes fremtidige romoppdrag for direkte avbildning av steinete planeter i beboelige soner av sollignende stjerner, spesielt LIFE (Large Interferometer for Exoplanet) interferometer, som lover enestående nøyaktighet i karakterisering av ekstrasolare planeter.
Kunstnerisk fremstilling av ESOs ekstremt store teleskop.
Sannsynligheten for å se en smeltet planet avhenger av to hovedfaktorer: det kumulative antallet gigantiske påvirkninger som gjenstander opplever i planetsystemet og tidsintervallet hvor det smeltede legemet forblir varmt nok til å bli oppdaget.
For å bestemme sannsynligheten for å observere smeltede protoplaneter, må du først fastslå sannsynligheten for gigantiske påvirkninger ved å simulere planetdannelse. Datasimuleringer sporer utviklingen av bane og veksten av planetariske embryoer når de smelter sammen til fullverdige planeter under kollisjoner.
Systemer i de tidlige stadier av dannelsen opplever størst antall påvirkninger på grunn av tilstedeværelsen av et stort antall embryoer i ustabile baner. Når det er sagt, vil de kretsende røde dvergene, de vanligste stjernene i Melkeveien, bli rammet nesten dobbelt så mange ganger som de rundt vår sols kolleger. Dette er veldig lovende når det gjelder sannsynligheten for at magmatiske hav oppstår, men det er en advarsel: protoplaneter i slike systemer vil være lokalisert i nær bane og kan derfor ikke skilles fra stjernens stråling. I tillegg vil kollisjonene være mindre energiske og derfor vil kroppene være kjedelige. Dermed blir potensiell observerbarhet en funksjon av stjernens alder, antall påvirkninger og kollisjonenergi.
Gitt frekvensen av forekomsten av magmahavet, beregnet forskere evolusjonen og perioden med eksistensen av magmahav for å bestemme endringer i overflatetemperatur avhengig av størrelsen på planeten og tykkelsen på atmosfæren, noe som kommer til uttrykk i den såkalte emissiviteten: jo lavere den er, desto mer isolerende er atmosfæren.
En kunstnerisk fremstilling av en ung eksoplanett som kontinuerlig bombarderes av embryoer i ustabile baner.
Store protoplaneter med en tykk atmosfære vil understøtte hav av magma lenger, men de vil også ha lavere stråling og er mer sannsynlig å være under følsomhetsnivået til teleskoper. Det er viktig å merke seg at den sannsynlige sammensetningen av eksoprotoplaneter kan avvike betydelig fra de tidlige planetene i solsystemet. Dermed avhenger emissiviteten av en tilleggsparameter: en rekke sammensetninger og masser av eksoplanetære atmosfærer.
Naturligvis bestemmes det beste stedet å begynne å lete etter smeltede planeter med ELT eller LIFE av nærheten til solsystemet. De mest lovende målene er unge, nærliggende og massive stjernegrupper. Se for deg at forskere allerede har et "passende" teleskop og må se alle de individuelle stjernene i en forening. Finner du en smeltet protoplanet? Verken ja eller nei. Svaret er statistisk sannsynlighet, avhengig av et antall fysiske parametere.
Panoramautsikt fra Carina OB1-foreningen, som inneholder flere grupper av unge stjerner, for eksempel Trumpler 14-klyngen, som har hjem til rundt 2000 stjerner. Systemene nærmest oss, som denne, er hovedmålene for å oppdage kollisjoner av protoplaneter.
For eksempel inkluderer foreningen β Pictoris (Beta Pictoris), som ligger 63 lysår fra sola, 31 stjerner med en gjennomsnittsalder på 23 millioner år. Sannsynligheten for å oppdage minst en planet med et hav av magma blant planetsystemene vil være ubetydelig med et ufølsomt filter, men kan nå 80% for observasjoner med LIFE på 5,6 mikrometer eller med ELT ved 2,2 mikrometer.
Hva betyr disse tallene og hva skal jeg gjøre videre?
Det gjenstår en rekke spørsmål. For eksempel er det fremdeles uklart om planeter blir født rundt alle stjerner og hvilke typer planeter som kan forventes avhengig av klassen til stjernen.
Tidligere studier, som diskuterte potensiell observerbarhet av smeltede planeter, lurte på om ettergløden til en gigantisk påvirkning, lik den som skapte månen, kunne registreres under proto-Earth forhold. Likevel har en undersøkelse av eksoplaneter de siste tiårene vist at mange av deres egenskaper (sammensetning, masse, radius, bane og andre) er veldig forskjellige fra alt som ble antatt som et resultat av å studere solsystemet. Derfor forventer forskere store forskjeller mellom de sammensatte egenskapene til unge protoplaneter og deres atmosfærer, det vil si at spørsmålet om potensiell observerbarhet av den dannende proto-jorden er interessant, men ikke viktig på grunn av den ubetydelige sannsynligheten for tilstedeværelsen av slike protoplaneter i den forutsigbare nærheten av Solen.
Tusenvis av stjernesystemer som lever i Melkeveien.
For å komme nærmere oppdagelsen av et smeltet protoplanet de neste årene, må flere viktige spørsmål tas opp: hva er de typiske variasjonene i atmosfæren til steinete planeter, hvordan er flyktige stoffer fordelt mellom mantelen og atmosfæren?
Observasjonskampanjer vil gjøre det mulig for forskere å forbedre forståelsen av atmosfæriske egenskaper og komposisjonsfordelinger. I tillegg vil det være nødvendig å bedre begrense egenskapene til individuelle medlemsstjerner i de mest lovende foreningene: β Pictoris, Columba, TW Hydrae og Tucana-Horologium. Dette krever felles innsats fra teoretikere og observatører, astronomer, geofysikere og geokjemister.
Til slutt, en gang i den ikke så fjerne fremtiden, kan vi kanskje se et glimt av en glødende ung verden som kanskje ikke er så forskjellig fra vårt eget hjem i universet.
Arina Vasilieva
