Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Νέες προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι οι στερεοί δομικοί λίθοι των πλανητών, τα πλανητοθραύσματα, θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί μόλις 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
- Ο πρωτοπλανητικός δίσκος της προσομοίωσης περιείχε σημαντικές ποσότητες νερού, μόλις λίγες φορές λιγότερο από αυτό που ήταν διαθέσιμο όταν σχηματίστηκε το Ηλιακό μας Σύστημα.
- Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι συνθήκες για τη δημιουργία πλανητών μπορεί να υπήρχαν πολύ νωρίτερα, εγείροντας το ερώτημα αν δυνητικά κατοικήσιμοι κόσμοι εμφανίστηκαν επίσης πολύ νωρίτερα στην ιστορία του Σύμπαντος.
Οι βραχώδεις πλανήτες ενδέχεται να ξεκίνησαν να σχηματίζονται πολύ νωρίτερα από ό,τι φανταζόταν κανείς, σχεδόν αμέσως μόλις τα πρώτα άστρα προμήθευσαν στο σύμπαν τα απαραίτητα συστατικά για τη δημιουργία τους.
Νέες προσομοιώσεις σε υπολογιστές υποδεικνύουν ότι τα πλανητοθραύσματα (planetesimals), δηλαδή οι στερεοί δομικοί λίθοι από τους οποίους προέκυψαν πλανήτες όπως η Γη, θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί μόλις 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Εκείνη τη χρονική στιγμή, το Σύμπαν βρισκόταν μόλις στο 1% της σημερινής του ηλικίας και οι πρώτες γενιές αστέρων μόλις άρχιζαν να μεταβάλλουν τη χημική σύσταση του κόσμου.
Τα νέα ευρήματα μετατοπίζουν την πιθανή απαρχή του σχηματισμού βραχωδών πλανητών δισεκατομμύρια χρόνια νωρίτερα, αποκαλύπτοντας ότι οι πρώτοι κατοικήσιμοι κόσμοι μπορεί να δημιουργήθηκαν πολύ νωρίτερα από όσο υπολόγιζαν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες.
Η Μεγάλη Έκρηξη δημιούργησε ένα σύμπαν αποτελούμενο συντριπτικά από υδρογόνο και ήλιο, με ελάχιστες μόνο ποσότητες άλλων ελαφρών στοιχείων. Ο άνθρακας, το οξυγόνο, ο σίδηρος, το πυρίτιο και άλλα απαραίτητα συστατικά για τη δημιουργία βραχωδών πλανητών έπρεπε να παραχθούν αργότερα, στο εσωτερικό των άστρων.
Ορισμένα από τα πιο πρώιμα άστρα, γνωστά ως αστέρες Πληθυσμού ΙΙΙ (Pop III), θεωρείται ότι είχαν εξαιρετικά μεγάλη μάζα. Όταν ορισμένα άστρα αυτού του τύπου έφτασαν στο τέλος της ζωής τους, εξερράγησαν και διασκόρπισαν τα νεοσχηματισμένα στοιχεία στον γύρω χώρο, μετατρέποντας τα μέχρι τότε παρθένα νεφελώματα αερίων σε υλικό από το οποίο μπορούσαν πλέον να σχηματιστούν πιο σύνθετα χημικά άστρα και πλανήτες.
Υπερνόβα που «έσπειραν» το πρώιμο Σύμπαν
Μια ιδιαίτερα ακραία έκρηξη ενδέχεται να επιτάχυνε δραματικά αυτή τη διαδικασία. Οι υπερκαινοφανείς αστάθειας ζεύγους (pair-instability supernovae) προβλέπεται ότι συμβαίνουν σε ορισμένα άστρα τεράστιας μάζας. Αντί να αφήσει πίσω της ένα συνηθισμένο αστρικό υπόλειμμα, μια τέτοια έκρηξη μπορεί να διαλύσει ολοκληρωτικά το άστρο, απελευθερώνοντας μια τεράστια ποσότητα νεοδημιουργηθέντων στοιχείων.
Τα μοντέλα δείχνουν ότι ορισμένες υπερκαινοφανείς αστάθειας ζεύγους αστεριών Πληθυσμού ΙΙΙ θα μπορούσαν να εκτοξεύσουν βαριά στοιχεία με συνολική μάζα μεγαλύτερη από 100 φορές τη μάζα του Ήλιου. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να αναμειχθούν με τα γειτονικά αέρια και να αυξήσουν τη μεταλλικότητά τους -τον αστρονομικό όρο για την αφθονία στοιχείων βαρύτερων από το υδρογόνο και το ήλιο- σε επίπεδα αρκετά υψηλά ώστε να σχηματιστούν στερεοί κόκκοι και, τελικά, πλανητικό υλικό.
Προσομοιώνοντας τον σχηματισμό πλανητών 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη
Ερευνητές με επικεφαλής επιστήμονες, μεταξύ των οποίων ο Daniel Whalen από το Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ, μοντελοποίησαν το τι θα μπορούσε να συμβεί στη συνέχεια.
«Η νέα μας δημοσίευση, στην οποία ο υποψήφιος διδάκτοράς μου Chris Jessop έτρεξε το πρώτο μέρος της αλυσίδας προσομοιώσεων, δείχνει ότι οι πρόδρομοι των γήινων πλανητών μπορούν να σχηματιστούν γύρω από άστρα μικρής μάζας και μεγάλης διάρκειας ζωής μέσα στα συντρίμμια των πρώτων κοσμικών εκρήξεων, μόλις 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Για να καταλάβουμε το μέγεθος, το Σύμπαν είναι περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, επομένως αυτό συνέβη εξαιρετικά νωρίς στην κοσμική ιστορία», τόνισε ο Whalen.
Οι προσομοιώσεις κατέγραψαν το εμπλουτισμένο αέριο καθώς κατέρρεε λόγω βαρύτητας, γεννώντας ένα σχετικά μικρό άστρο γύρω από το οποίο περιστρεφόταν ένας πρωτοπλανητικός δίσκος. Πρόκειται ουσιαστικά για την ίδια δομή μέσα από την οποία γεννήθηκαν οι πλανήτες πλανήτες γύρω από τον νεαρό Ήλιο.
Αρκετό υλικό για τη δημιουργία βραχωδών κόσμων
Στο μοντέλο των ερευνητών, το αναδυόμενο άστρο είχε μάζα ίση με περίπου το 70% της μάζας του Ήλιου. Γύρω του, σκόνη και άλλο στερεό υλικό συσσωρεύτηκαν στον δίσκο και άρχισαν να παράγουν πλανητοθραύσματα.
Αυτά τα αντικείμενα αποτελούν ένα σημαντικό ενδιάμεσο στάδιο στη δημιουργία πλανητών. Οι κόκκοι σκόνης αρχικά συγκρούονται και ενώνονται μεταξύ τους, δημιουργώντας σταδιακά όλο και μεγαλύτερα σώματα. Μόλις σχηματιστούν τα πλανητοθραύσματα, οι συνεχείς συγκρούσεις και οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να δημιουργήσουν πλανητικά έμβρυα και, εν τέλει, πλανήτες πλήρους μεγέθους.
Οι προσομοιώσεις παρήγαγαν πλανητοθραύσματα συνολικής μάζας πολλαπλάσιας της Γης, σε απόσταση περίπου 0,5 έως 1 αστρονομικής μονάδας από το άστρο. Μία αστρονομική μονάδα (AU) είναι η μέση απόσταση μεταξύ Γης και Ήλιου, δηλαδή περίπου 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα.
Ο Whalen ανέφερε: «Στις υπολογιστικές μας προσομοιώσεις για το πρώιμο Σύμπαν, βρήκαμε έναν τέτοιο δίσκο γύρω από ένα νεαρό αστέρι με μάζα περίπου το 70% της μάζας του Ήλιου. Μέσα σε αυτόν τον δίσκο συσσωρεύτηκε αρκετό στερεό υλικό ώστε να δημιουργηθούν δομικοί λίθοι πλανητών με μάζα όσο αρκετές Γαίες, σε απόσταση από το αστέρι σχεδόν ίδια με αυτή που απέχει η Γη από τον Ήλιο».
Τα πλανητοθραύσματα αποτελούν απλώς την πρώτη ύλη από την οποία μπορούν να αναπτυχθούν οι βραχώδεις πλανήτες, και πολλά πράγματα μπορούν να διακόψουν αυτή τη διαδικασία. Ωστόσο, το γεγονός ότι δημιουργήθηκαν τέτοιες ποσότητες υλικού —ικανές να σχηματίσουν αρκετούς πλανήτες σαν τη Γη- τόσο νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος, δείχνει ότι η έλλειψη πρώτων υλών μάλλον δεν καθυστέρησε τη δημιουργία τους όσο πιστεύαμε μέχρι σήμερα.
Εμφάνιση νερού σε έναν αρχαίο πρωτοπλανητικό δίσκο
Ένα ακόμη αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του δίσκου της προσομοίωσης ήταν η περιεκτικότητά του σε νερό.
Προγενέστερη εργασία του Whalen και των συνεργατών του είχε διαπιστώσει ότι το νερό μπορούσε να σχηματιστεί σε πυκνά νεφελώματα εμπλουτισμένα από πρωτόγονες υπερνόβα μόλις 100 έως 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ορισμένα από αυτά τα νεφελώματα έφτασαν σε συγκεντρώσεις νερού μόλις λίγες φορές χαμηλότερες από εκείνες που σχετίζονται με το Ηλιακό μας Σύστημα.
Πώς οι πρώτοι πλανήτες θα μπορούσαν να έχουν λάβει νερό
Οι νέες προσομοιώσεις εξελίσσουν αυτό το σενάριο περνώντας στο στάδιο του σχηματισμού των πλανητών.
«Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι ο δίσκος περιείχε επίσης σημαντικές ποσότητες νερού, μόλις λίγες φορές λιγότερο από αυτό που ήταν διαθέσιμο όταν σχηματίστηκε το δικό μας Ηλιακό Σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι τυχόν πλανήτες που διαμορφώθηκαν εκεί θα μπορούσαν ενδεχομένως να έχουν λάβει νερό με παρόμοιο τρόπο όπως η Γη, η οποία θεωρείται ότι απέκτησε το μεγαλύτερο μέρος του νερού της από υλικά που περίσσεψαν κατά τη διαδικασία της πλανητικής εξέλιξης», ανέφερε ο Whalen.
Τα πλανητοθραύσματα που μοντελοποιήθηκαν από τους ερευνητές σχηματίστηκαν εντός της «γραμμής χιονιού» (snowline) του νερού στο σύστημα, δηλαδή στην περιοχή όπου οι θερμοκρασίες είναι γενικά πολύ υψηλές για να επιβιώσει άφθονος πάγος νερού. Ως εκ τούτου, αυτά συγκεκριμένα πλανητοθραύσματα θα ήταν αρχικά σχετικά ξηρά.
Αυτό δεν αποκλείει απαραίτητα την ύπαρξη πλανητών με νερό. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι οι υπό διαμόρφωση πλανήτες θα μπορούσαν μεταγενέστερα να λάβουν νερό από υλικό που προερχόταν από περιοχές πιο μακριά από το άστρο, κατά τρόπο παρόμοιο με τα σενάρια που έχουν προταθεί για τη μεταφορά νερού στην πρώιμη Γη.
Αρχαία πλανητικά συστήματα θα μπορούσαν να επιβιώσουν μέχρι σήμερα
Οι προεκτάσεις της μελέτης γίνονται ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες, καθώς το άστρο στην προσομοίωση είναι χαμηλής μάζας και όχι κάποιος από τους βραχύβιους γίγαντες που παρήγαγαν τα αρχικά χημικά στοιχεία.
Τα άστρα χαμηλής μάζας μπορούν να επιβιώσουν για εξαιρετικά μεγάλες χρονικές περιόδους. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι ένα άστρο με περίπου το 40% της μάζας του Ήλιου, το οποίο σχηματίστηκε κατά την πρώιμη αυτή εποχή, θα μπορούσε να λάμπει ακόμα και σήμερα. Αυτό αυξάνει την πιθανότητα τα υπολείμματα της αρχαιότερης εποχής σχηματισμού πλανητών στο Σύμπαν να υπάρχουν, θεωρητικά, ακόμα στον Γαλαξία μας και ενδεχομένως να αναγνωριστούν μέσω μελλοντικών ερευνών σε πολύ παλαιά άστρα χαμηλής μεταλλικότητας.
Οι υπολογισμοί υποδηλώνουν μάλιστα ότι, υπό ευνοϊκές συνθήκες, παρόμοιοι πρωτοπλανητικοί δίσκοι πλούσιοι σε νερό θα μπορούσαν να έχουν εμφανιστεί ήδη από 50 έως 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Βραχώδεις κόσμοι ίσως εμφανίστηκαν δισεκατομμύρια χρόνια πριν από τη Γη
Μια τέτοια δυνατότητα αλλάζει δραματικά το κοσμικό χρονοδιάγραμμα που έχουμε στη διάθεσή μας για την εξέλιξη των πλανητών. Η Γη σχηματίστηκε πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, δηλαδή περισσότερα από 9 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Επομένως, ένας βραχώδης κόσμος που γεννήθηκε κατά την κοσμική αυγή θα προηγούνταν της Γης κατά πολλά δισεκατομμύρια χρόνια.
Το αν τέτοιοι πλανήτες σχηματίστηκαν πράγματι, επιβίωσαν ή ανέπτυξαν ποτέ κατοικήσιμες συνθήκες παραμένει άγνωστο. Η μελέτη βασίζεται σε υπολογιστικές προσομοιώσεις και όχι στην παρατήρηση ενός αρχαίου πλανητικού συστήματος, ενώ το πρώιμο Σύμπαν ήταν ένα πολύ διαφορετικό και συχνά βίαιο περιβάλλον.
Ωστόσο, η εργασία αυτή αποδεικνύει κάτι πολύ πιο θεμελιώδες: τα φυσικά συστατικά και οι διεργασίες που απαιτούνται για να αρχίσει η συναρμολόγηση βραχωδών πλανητών ενδέχεται να εμφανίστηκαν εκπληκτικά σύντομα αφότου τα πρώτα άστρα άρχισαν να παράγουν βαρέα στοιχεία.
«Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι οι συνθήκες για τη δημιουργία πλανητών μπορεί να υπήρχαν πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστευόταν μέχρι σήμερα. Αν ισχύει αυτό, γεννάται ένα συναρπαστικό ερώτημα: θα μπορούσαν δυνητικά κατοικήσιμοι κόσμοι να έχουν εμφανιστεί επίσης πολύ νωρίτερα στην ιστορία του Σύμπαντος;», δήλωσε ο Whalen.