System i de tidiga stadierna av bildandet upplever det största antalet effekter på grund av förekomsten av ett stort antal embryon i instabla banor. Kommer vi kunna överväga dessa processer och avslöja jordens förflutna?
Under de sista stadierna av planetbildningen kraschar unga planetära embryon i andra protoplaneter, vilket får deras ytor och mantlar att smälta intensivt. En sådan kollision mellan den framtida jorden och Theia som slog den skapade Earth-Moon-systemet och ledde till uppkomsten av magmahavet: en blandning av smälta silikater och flyktiga ämnen som sträcker sig över hela manteln. Hav av magma satt scenen för den tidiga ytan och atmosfären som livsvillkoren så småningom utvecklades på.
Kollisionen mellan den nyfödda jorden och Theia (ett föremål på storleken av Mars), vilket orsakade bildandet av månen.
Tyvärr för geofysiker, men lyckligtvis för livet i allmänhet, har flera miljarder år av plattaktonik på jorden förstört de tydliga tecknen på ett hav av magma, och så vet forskare knappast hur denna heta och smälta värld förvandlades till en bebodlig planet. Det tros emellertid att de allmänna principerna för bildandet av klippiga planeter är likartade i system med andra stjärnor, och därför är de mest kraftfulla påverkningarna inte sällsynta på planeterna som för närvarande bildas i banorna av unga stjärnor.
Detta gör det möjligt att fånga en ögonblicksbild av efterglödet från gigantiska effekter i exoplanetära system. Direkt upptäckt av en smält protoplanet kommer att vara nyckeln till de tidiga stadierna av planetutvecklingen.
Jakten på smälta världar
Unga protoplaneter är mycket varma och ljusa, eftersom deras yttemperaturer kan nå 3000 ° C. Därför kan man tro att de är lätta att upptäcka på natthimlen, men tyvärr är detta inte helt sant. När den smälta manteln stelnar frigörs de upplösta flyktiga ämnena som vatten och koldioxid gradvis i atmosfären. I avsaknad av starka stjärnvindar eller höga nivåer av ultraviolett strålning från stjärnan kommer planetens atmosfär att förtjockas och därigenom dölja ytan. På så sätt kommer det att fungera som en filt, vilket förlänger magmahavets kylningsperiod.
Kampanjvideo:
En konstnärlig representation av en exoplanet täckt av magmahav.
Medan teoretiska modeller för planetbildning har föreslagits av magmatiska hav, har global smältning av kroppar till följd av kollisioner mellan protoplaneter ännu inte observerats. Eftersom antalet sådana påverkningar förväntas minska gradvis över tid, erbjuder unga planetsystem de bästa chanserna för att upptäcka sådana föremål.
För att vara synliga måste dessa smälta kroppar dock uppfylla två villkor. För det första, inte vara för nära deras stjärna, annars kommer teleskopet inte att kunna skilja den smälta protoplaneten från sin ljusa värd. För det andra måste en tillräcklig mängd strålning från magmahavet tränga in i atmosfären.
När det gäller utsänd strålning är smälta protoplaneter ett attraktivt mål för direktavbildning eftersom de är mycket ljusare än äldre planeter som Jorden. Så om vi någonsin vill börja samla in omedelbara fotografier av jordliknande extrasolära planeter, är smälta protoplaneter ett bra ställe att börja!
Vilka är chansen att upptäcka efterglöd?
Tyvärr, även med de mest avancerade avbildningsverktygen, förblir direkt detektion av smälta planeter utom räckhåll. Men 2020-talet kommer att se eran med kolossala markbaserade teleskop: ESO: s Extremely Large Telescope (ELT) i Chile, Giant Magellanic Telescope (GMT) i Chile och Thirty Meter Telescope (TMT) på Hawaii. Förutom nya markbaserade observatorier övervägs framtida rymduppdrag för direkt avbildning av steniga planeter i bebodda zoner av solliknande stjärnor, särskilt interferometern LIFE (Large Interferometer for Exoplanet), som lovar en aldrig tidigare skådad noggrannhet vid karakterisering av extrasolära planeter.
Konstnärlig framställning av ESO: s extremt stora teleskop.
Sannolikheten för att se en smält planet beror på två huvudfaktorer: det kumulativa antalet jättepåverkan som objekten upplever i planetsystemet och tidsintervallet under vilket den smälta kroppen förblir varm nog att detekteras.
För att bestämma sannolikheten för att observera smälta protoplaneter måste du först fastställa sannolikheten för jättepåverkan genom att simulera planetbildning. Datorsimuleringar spårar utvecklingen av omloppsbana och tillväxten av planetembryon när de smälter samman till fullplaneter under kollisioner.
System i de tidiga stadierna av bildandet upplever det största antalet effekter på grund av förekomsten av ett stort antal embryon i instabla banor. Med det sagt kommer de kretsande röda dvärgarna, de vanligaste stjärnorna i Vintergatan, att träffas nästan dubbelt så många gånger som de runt vår Suns motsvarigheter. Detta är mycket lovande när det gäller sannolikheten för att magmahav inträffar, men det finns en varning: protoplaneterna i sådana system kommer att vara belägna i nära banor och kan därför inte separeras från stjärnas strålning. Dessutom kommer kollisionerna att vara mindre energiska och därför kommer kropparna att vara tråkiga. Således blir potentiell observerbarhet en funktion av stjärnans ålder, antal påverkningar och kollisionsenergi.
Med tanke på frekvensen av magmahav, beräknade forskare utvecklingen och perioden för existens av magmahav för att bestämma förändringar i yttemperatur beroende på planetens storlek och tjockleken på atmosfären, vilket uttrycks i den så kallade emissiviteten: ju lägre den är, desto mer isolerande är atmosfären.
En konstnärlig representation av en ung exoplanet som hela tiden bombarderas av embryon i instabila banor.
Stora protoplaneter med en tjock atmosfär kommer att stödja hav av magma längre, men de kommer också att uppvisa lägre strålning och är mer benägna att ligga under känslighetsnivån för teleskop. Det är viktigt att notera att den troliga sammansättningen av exoprotoplaneter kan skilja sig avsevärt från solsystemets tidiga planeter. Således beror emissiviteten på en ytterligare parameter: en mängd olika kompositioner och massor av exoplanetära atmosfärer.
Naturligtvis bestäms det bästa stället att börja leta efter smälta planeter med ELT eller LIFE av närheten till solsystemet. De mest lovande målen är unga, närliggande och massiva stjärngrupper. Föreställ dig att forskare redan har ett "lämpligt" teleskop och måste se alla enskilda stjärnor i en förening. Finns en smält protoplanet? Varken ja eller nej. Svaret är statistisk sannolikhet, beroende på ett antal fysiska parametrar.
Panoramabild från Carina OB1-föreningen, som innehåller flera grupper av unga stjärnor, till exempel Trumpler 14-klustret, som är hem för cirka 2 000 stjärnor. De system som ligger närmast oss, som den här, är de viktigaste målen för att upptäcka kollisioner av protoplaneter.
Exempelvis innehåller föreningen β Pictoris (Beta Pictoris), som ligger 63 ljusår från solen, 31 stjärnor med en medelålder på 23 miljoner år. Sannolikheten för att detektera minst en planet med ett hav av magma bland deras planetsystem är försumbar med ett okänsligt filter, men kan nå 80% för observationer med LIFE vid 5,6 mikrometer eller med ELT vid 2,2 mikrometer.
Vad betyder dessa siffror och vad ska jag göra nu?
Det finns ett antal frågor kvar. Till exempel är det fortfarande oklart om planeter föds runt alla stjärnor och vilka typer av planeter som bör förväntas beroende på klassens stjärna.
Tidigare studier, som diskuterade den potentiella observerbarheten hos smälta planeter, undrade om efterglödet av en jättepåverkan, liknande det som skapade månen, kunde registreras under proto-Earth-förhållanden. Ändå har en undersökning av exoplaneter under de senaste decennierna visat att många av deras egenskaper (sammansättning, massa, radie, bana och andra) skiljer sig väldigt mycket från allt som antogs som ett resultat av att studera solsystemet. Därför förväntar sig forskare enorma skillnader mellan sammansättningsegenskaperna hos unga protoplaneter och deras atmosfärer, det vill säga frågan om den potentiella observerbarheten hos den bildande proto-jorden är intressant, men obetydlig på grund av den obetydliga sannolikheten för förekomsten av sådana protoplaneter i den förutsebara närheten av solen.
Tusentals stjärnsystem som lever i Vintergatan.
För att komma närmare upptäckten av en smält protoplanet under de närmaste åren måste flera viktiga frågor tas upp: vilka är de typiska variationerna i atmosfären på steniga planeter, hur fördelas flyktiga ämnen mellan manteln och atmosfären?
Observationskampanjer gör det möjligt för forskare att förbättra sin förståelse av atmosfäriska egenskaper och sammansättningsfördelningar. Dessutom kommer det att vara nödvändigt att bättre begränsa egenskaperna hos individuella medlemsstjärnor i de mest lovande föreningarna: β Pictoris, Columba, TW Hydrae och Tucana-Horologium. Detta kräver gemensamma ansträngningar från teoretiker och observatörer, astronomer, geofysiker och geokemister.
Så småningom, någon gång i en inte alltför avlägsen framtid, kanske vi kan se en glimt av en glödande ung värld som kanske inte är så annorlunda än vårt eget hem i universum.
Arina Vasilieva