Системите в ранните етапи на формиране изпитват най-голям брой въздействия поради наличието на огромен брой ембриони в нестабилни орбити. Ще можем ли да разгледаме тези процеси и да разкрием миналото на Земята?
В последните етапи на планетарното формиране младите планетарни ембриони се разбиват в други протопланети, принуждавайки техните повърхности и мантии да се стопят интензивно. Един такъв сблъсък между бъдещата Земя и Тея, който го удари, създаде системата Земя-Луна и доведе до появата на магмен океан: смес от разтопени силикати и летливи вещества, която се простира в цялата мантия. Океаните на магмата създават основата за ранната повърхност и атмосфера, в които в крайна сметка се развиват условията на живот.
Сблъсъкът на новородената Земя и Тея (обект с размерите на Марс), който предизвика образуването на Луната.
За съжаление на геофизиците, но за щастие на живота като цяло, няколко милиарда години тектоника на плочите на Земята са унищожили ясните признаци на океан от магма и затова учените едва ли разбират как този горещ и разтопен свят се е превърнал в обитаема планета. Смята се обаче, че общите принципи на образуването на скалисти планети са сходни в системите на други звезди и следователно най-мощните въздействия не са рядкост върху планетите, които в момента се формират в орбитите на млади звезди.
Това дава възможност да се направи моментна снимка на последващото сияние от гигантски въздействия в екзопланетните системи. Директното откриване на разтопена протопланета ще бъде ключът към ранните етапи на планетарната еволюция.
Ловът за разтопени светове
Младите протопланети са много горещи и светли, тъй като повърхностните им температури могат да достигнат 3000 ° C. Така може да се мисли, че те лесно се забелязват на нощното небе, но за съжаление това не е напълно вярно. В действителност, докато разтопената мантия се втвърдява, разтворените летливи вещества като вода и въглероден диоксид постепенно се отделят в атмосферата. При липса на силни звездни ветрове или високи нива на ултравиолетово лъчение от звездата атмосферата на планетата ще се сгъсти, като по този начин затъмни повърхността. По този начин тя ще действа като одеяло, удължавайки периода на охлаждане на магмения океан.
Промоционално видео:
Художествено изображение на екзопланета, покрита в океаните на магмата.
Докато съществуването на магманите океани се предполага от теоретични модели на планетарно формиране, все още не е наблюдавано глобално топене на тела в резултат на сблъсъци между протопланети. Тъй като се очаква броят на тези въздействия постепенно да намалява с течение на времето, младите планетарни системи предлагат най-добри шансове за откриване на такива обекти.
За да бъдат видими обаче, тези разтопени тела трябва да отговарят на две условия. Първо, не бъдете твърде близо до звездата им, в противен случай телескопът няма да може да отдели разтопената протопланета от яркия си хост. Второ, достатъчно количество радиация от магмения океан трябва да проникне в атмосферата.
По отношение на излъчената радиация, разтопените протопланети са привлекателна цел за директни изображения, тъй като са много по-ярки от по-старите планети като Земята. Така че, ако някога искаме да започнем да събираме непосредствени снимки на подобни на Земята екстрасоларни планети, тогава разтопените протопланети са добро място за начало!
Какви са шансовете за откриване на последващо сияние?
За съжаление, дори и с най-модерните инструменти за изображения, директното откриване на разтопени планети остава извън обсега. През 2020-те обаче ще се наблюдава ерата на колосални наземни телескопи: Изключително големият телескоп (ELT) на ESO в Чили, гигантският магеланичен телескоп (GMT) в Чили и тридесетметровия телескоп на Хавай. В допълнение към новите наземни обсерватории се разглеждат бъдещи космически мисии за директно изобразяване на скалисти планети в обитаеми зони от слънцеподобни звезди, по-специално интерферометър LIFE (Голям интерферометър за екзопланета), който обещава безпрецедентна точност при характеризиране на екстрасоларни планети.
Художествено представяне на изключително големия телескоп на ESO.
Вероятността да видите разтопена планета зависи от два основни фактора: натрупания брой гигантски въздействия, изпитвани от обекти в планетарната система, и времевия интервал, през който разтопеното тяло остава достатъчно горещо, за да бъде открито.
За да определите вероятността да наблюдавате разтопени протопланети, първо трябва да установите вероятността от гигантски въздействия чрез симулиране на планетарно образуване. Компютърните симулации проследяват развитието на орбитата и растежа на планетарните ембриони, докато те се сливат в пълноценни планети по време на сблъсъци.
Системите в ранните етапи на формиране изпитват най-голям брой въздействия поради наличието на огромен брой ембриони в нестабилни орбити. Като се казва, онези орбитани червени джуджета, най-често срещаните звезди в Млечния път, ще бъдат ударени почти два пъти повече пъти от тези около колегите на нашето Слънце. Това е много обещаващо по отношение на вероятността от възникване на магматични океани, но има предостережение: протопланетите в такива системи ще бъдат разположени в близки орбити и следователно не могат да бъдат отделени от радиацията на звездата. Освен това сблъсъците ще бъдат по-малко енергични и следователно телата ще бъдат тъпи. По този начин потенциалната наблюдателност става функция от възрастта на звездата, броя на ударите и енергията на сблъсък.
Като се има предвид честотата на възникване на магманите океани, учените изчислиха еволюцията и периода на съществуване на магманите океани, за да определят промените в повърхностната температура в зависимост от размера на планетата и дебелината на нейната атмосфера, което се изразява в така наречената излъчвателност: колкото по-ниска е тя, толкова по-изолираща е атмосферата.
Художествено изображение на млада екзопланета, бомбардирана постоянно от ембриони в нестабилни орбити.
Големите протопланети с плътна атмосфера ще поддържат океаните на магмата по-дълго, но те също ще показват по-ниско лъчение и е по-вероятно да бъдат под нивото на чувствителност на телескопите. Важно е да се отбележи, че вероятният състав на екзопротопланети може да се различава значително от ранните планети на Слънчевата система. По този начин, излъчвателната способност зависи от допълнителен параметър: разнообразие от състави и маси от екзопланетарни атмосфери.
Естествено, най-доброто място да започнете да търсите разтопени планети с ELT или LIFE се определя от близостта до Слънчевата система. Най-обещаващите мишени са млади, близки и масивни звездни групи. Представете си, че учените вече имат "подходящ" телескоп и трябва да преглеждат всички отделни звезди в асоциация. Ще се намери ли разтопена протопланета? Нито да, нито не. Отговорът е статистическа вероятност, в зависимост от редица физически параметри.
Панорамна снимка на асоциацията Carina OB1, която съдържа няколко групи млади звезди, като клъстера Trumpler 14, в който живеят около 2000 звезди. Най-близките до нас системи като тази са основните мишени за откриване на сблъсъци на протопланети.
Например асоциацията β Pictoris (Beta Pictoris), разположена на 63 светлинни години от Слънцето, включва 31 звезди със средна възраст 23 милиона години. Вероятността да открият поне една планета с океан от магма сред техните планетни системи ще бъде незначителна с нечувствителен филтър, но може да достигне 80% за наблюдения с LIFE на 5,6 микрометра или с ELT на 2,2 микрометра.
Какво означават тези числа и какво да правя след това?
Остават редица въпроси. Например, все още не е ясно дали планетите се раждат около всички звезди и какви видове планети трябва да се очакват в зависимост от класа на звездата.
По-ранни проучвания, които обсъждаха потенциалната наблюдателност на разтопени планети, се чудеха дали последващото сияние на гигантско въздействие, подобно на това, което създаде Луната, може да бъде записано при протоземни условия. Проучване на екзопланети през последните десетилетия обаче показа, че много от техните характеристики (състав, маса, радиус, орбита и други) са диво различни от всичко, което се предполага в резултат на изучаването на Слънчевата система. Следователно учените очакват огромни разлики между съставните свойства на младите протопланети и техните атмосфери, тоест въпросът за потенциалната наблюдаемост на формиращата се прото-Земя е интересен, но не е важен поради незначителната вероятност за наличието на такива протопланети в предвидимата околност на Слънцето.
Хиляди звездни системи, живеещи в Млечния път.
За да се доближим до откриването на разтопена протопланета през следващите няколко години, трябва да се разгледат няколко основни въпроса: какви са типичните вариации в атмосферите на скалисти планети, как летливите вещества се разпределят между мантията и атмосферата?
Наблюдателните кампании ще дадат възможност на учените да подобрят своето разбиране за атмосферните свойства и разпределението на състава. Освен това ще е необходимо да се ограничат по-добре характеристиките на отделните звезди-членове на най-обещаващите асоциации: β Pictoris, Columba, TW Hydrae и Tucana-Horologium. Това изисква съвместните усилия на теоретици и наблюдатели, астрономи, геофизици и геохимици.
В крайна сметка, някой път в не твърде далечното бъдеще, може да успеем да видим поглед на светещ млад свят, който може би не е толкова различен от собствения ни дом във Вселената.
Арина Василиева
