Skalista, czy gazowa? O powstawaniu planet- wstęp, cz. II

W poprzedniej części dowiedzieliśmy się jak powstał podstawowy budulec materii, czyli pierwiastki, z których następnie narodziły się gwiazdy. Dowiedzieliśmy się też w jaki sposób powstały pierwiastki cięższe od żelaza, a także dzięki czemu zostały rozsiane po Wszechświecie. W tej części, przejdę do tematu właściwego, czyli procesów odpowiedzialnych za tworzenie planet. Spróbuję też odpowiedzieć na pytanie, co wpływa na ostateczną formę, jaką przybierze planeta.

Zapraszam.

Mgławica Kraba jest pozostałością po wybuchu Supernowej
// Foto: Wikipedia

1) Powstawanie planet
Na tym etapie, ponownie cofamy się do gazowych obłoków występujących we Wszechświecie, które służyły i nadal służą w procesach gwiazdotwórczych. Warto wiedzieć, że niektóre obłoki tworzą wręcz całe mgławice, w których rodzą się setki nowych gwiazd jak np. Mgławica Kraba widoczna na zdjęciu. Bogatsi o wiedzę z poprzedniej części, skupmy się na roli tych obłoków w procesach powstawania planet.

Obłoki wodoru ponownie tworzą Protogwiazdę, jednak obłoki te nie są już złożone tylko z wodoru jak podczas Pierwotnej Nukleosyntezy. Wybuchy supernowych bez przerwy roznoszą po Wszechświecie ciężkie pierwiastki takie jak żelazo, uran, pluton, ołów i wszystkie pozostałe. Mieszają się one z pierwotnymi obłokami wodoru i helu (które nadal stanowią ~75 i 25%, a najczęstszą reakcją chemiczną w dalszym ciągu jest przemiana wodoru w hel), do tego wszystkiego dochodzi również pył gwiezdny: skały oraz lód. Uzyskujemy więc znacznie bogatszą mieszankę niż w przypadku pierwotnych gwiazd ciągu głównego, powstałych tuż po narodzinach Wszechświata. Gdy masa takiej chmury osiągnie i przekroczy masę krytyczną, ponownie zaczyna zapadać się pod wpływem oddziaływań grawitacyjnych, znowu powstaje protogwiazda. Dookoła gwiazdy, z pozostałej chmury gazów i pyłu tworzy się dysk protoplanetarny i to właśnie tam zaczynają rodzić się planety, z niewielkich resztek materii, które nie zostały pochłonięte przez młodą gwiazdę.

Co jednak decyduje o tym, że planeta będzie gazowa, czy skalista? Na pewno nie rozmiar planety, gdyż na tym etapie planeta jeszcze nie istnieje. Decyduje o tym temperatura wokół gwiazdy oraz oddziaływanie grawitacyjne. Za ich sprawą dysk protoplanetarny dookoła zaczyna układać się w odpowiedni sposób.
Najbliżej gwiazdy nie ma praktycznie niczego, ponieważ tam większość substancji paruje z powodu wysokiej temperatury. Gaz zaczyna płonąć. Dlatego też, nie mogą tworzyć się planety gazowe, które będąc zbyt blisko gwiazdy, same by się zapaliły. Nieco dalej jest strefa skał, w której utrzymują się najcięższe pierwiastki metali oraz minerałów. Jest to możliwe, ponieważ w tej odległości temperatura jest na tyle niska, że metale oraz skały przybierają postać stałą. W tym obszarze nie ma praktycznie gazu, gdyż ten został pochłonięty przez gwiazdę, bądź znajduje się znacznie dalej w zewnętrznych obszarach dysku, ze względu na siły grawitacyjne ściągające cięższą materię bliżej siebie.

Dysk Protoplanetarny. //Foto: https://scitechdaily.com

Na obrzeżach dysku znajduje się linia lodu, gdzie woda oraz inne, głównie lżejsze pierwiastki zamarzają i tworzą bryły. Występują tutaj jedynie śladowe ilości metali ciężkich oraz zamarzniętych skał. Przede wszystkim skupia się w tym rejonie wodór oraz pozostałe gazy, które nie zostały pochłonięte przez gwiazdę. Tutaj też, jako pierwsze tworzą się planety. W skutek zderzania się niewielkich brył lodu oraz zamarzniętych skał (zjawisko to nazywamy akrecją, czyli opadaniem materii ku ciałom niebieskim pod wpływem grawitacji. Dzięki temu dysk nabiera pędu, a materia protoplanetarna zderza się ze sobą). Tworzą się planetozymale. Są to niewielkie obiekty, które pod wpływem własnej masy zaczynają powoli dominować grawitacyjnie nad resztą pyłu. Planetozymale przyciągają do siebie coraz więcej materii, aż w końcu przekształcają się w protoplanety, które zaczynają absorbować coraz więcej materii z dysku. Na obrzeżach, w linii lodu, gdzie skupia się pozostały po narodzinach gwiazdy gaz, zaczyna on być pochłaniany przez młodą protoplanetę, dzięki temu w stosunkowo krótkim czasie osiąga ogromne rozmiary i masę (kosztem gęstości, która w porównaniu do planet skalistych jest bardzo niewielka). Po upływie milionów, czasem kilku setek milionów lat, planety te, zwane gazowymi olbrzymami, pochłaniają praktycznie cały gaz z dysku, który warto wspomnieć stanowi ponad 90% masy materii planetotwórczej. Wtedy ich rozrost zwalnia, przy tym zazwyczaj stabilizuje się lub dopiero zaczyna stabilizować orbita planety wokół gwiazdy. 

Planety skaliste rozwijają się zazwyczaj wolniej, znacznie bliżej gwiazdy centralnej, czyli w linii skał. Powstają one ponownie na skutek akrecji, wykorzystując do tego głównie ciężki materiał oraz pozostałe ilości metali ciężkich. Nie pochłaniają one gazów, gdyż te w strefie skał praktycznie już nie występują i z tego powodu nie osiągają one takiej masy oraz rozmiarów, co gazowe olbrzymy. Ale dzięki temu gęstość planet skalistych jest znacznie większa.

2) SprostowaniaW tym tekście przede wszystkim chciałem przedstawić ogólne zasady i mechanizmy powstawania gwiazd i planet, nie znaczy to jednak, że zawsze wygląda to w jeden i ten sam sposób. Dla przejrzystości, niestety wiele razy musiałem iść na daleko idące uproszczenia, których nie lubię, ale dzięki którym tekst staje się przyjaźniejszy. Procesy zachodzące w gwiazdach oraz podczas powstawania planet, są znacznie bardziej złożone, zwłaszcza te odpowiadające za nukleosyntezę gwiezdną. Fazy spalania, które przedstawiłem, same w sobie też składają się z wielu różnych faz oraz są inicjowane przez odpowiednie czynniki i procesy, jak np. moment w którym gwiazda zaczyna spalać hel, jest inicjowany przez tzw. Potrójny proces Alfa.

- Również warto podkreślić, że procesy spalania oraz ich przebieg są różne i charakterystyczne dla konkretnych typów gwiazd, co trzeba mieć na uwadze.
Powyżej starałem się opisać najpowszechniejszy przebieg wydarzeń, mając za punkt odniesienia gwiazdę ciągu głównego, wielkości porównywalnej do Słońca.

- Uwaga! Pisząc, że fuzja staje się niemożliwa ze względu na niekorzystny bilans energetyczny, poszedłem na ogromne uproszczenie. Tylko trochę uściślając, bilans staje się niekorzystny, ponieważ wzrasta temperatura Czerwonego Olbrzyma, a co za tym idzie energia która oddziałuje na elektrony jądra. Te w normalnych warunkach wytwarzają energię i ciśnienie, które równoważą grawitację otaczającej masy, nie dopuszczając do zapadnięcia się jądra gwiazdy. Jednak, w takich gwiazdach, elektrony zaczynają zderzać się i łączyć z protonami tworząc neutrony. Przez to ciśnienie maleje, zaczyna brakować energii do dalszej fuzji i grawitacja w ciągu ułamka sekundy doprowadza do kolapsu gwiazdy, ponownego wzrostu temperatury/ energii i tym razem pod wpływem grawitacji zapadającej się masy do wzrostu ciśnienia- następuje wybuch Supernowej.
Po wybuchu tym pozostaje reszta niezwykle gęstej materii, nazywana Gwiazdą Neutronowa (Pulsar). Gwiazda neutronowa zazwyczaj ma średnicę ok. 15km. Pulsary to konkretniej rodzaj gwiazdy neutronowej, które wirują w niewyobrażalnym tempie, co jest ich cechą charakterystyczną, a jest to powodowane tym, że moment pędu pulsara wzrasta wraz z ciśnieniem w jądrze. Pulsary potrafią wykonywać setki obrotów w ciągu sekundy, obecnie najwolniejszy zaobserwowany pulsar wykonuje obrót co ~0.9 sekundy.
Może powstać również magnetar, czyli gwiazda neutronowa o olbrzymim i niezwykle silnym polu magnetycznym (Nie wiem czy zaobserwowano do tej pory obiekty o silniejszym polu), która jest zdolna do wytwarzania niewyobrażalnie potężnych rozbłysków gamma. Eksplozje i rozbłyski promieniowania gamma są spowodowane trzęsieniem lub pękaniem oraz nierównościami litej skorupy gwiazdy.
Jeżeli po wybuchu Supernowej, gwiazda neutronowa osiąga masę większą niż 2.8 masy Słońca, siła wewnątrz gwiazdy nie jest w stanie równoważyć olbrzymiej grawitacji, przez co gwiazda zapada się całkowicie tworząc Czarną Dziurę.

3) Podsumowanie i ciekawostki:
Pytanie od czytelnika- "A czy to nie jest tak, że planety skaliste mogą powstać tylko do określonej masy i gęstości? Bo czemu nie mamy planet skalistych wielkości np. Jowisza?"

Równowaga Hydrostatyczna
//Foto: https://ryanoursun.wikispaces.com

Dokładnie. Planety skaliste mogą się rozrastać tylko do pewnego momentu. Powód teoretyczny jest taki, że po osiągnięciu progu masy i gęstości krytycznej, nastąpiłby kolaps planety pod własną masą. W normalnych warunkach, każdy obiekt masywny, ma określony punkt równowagi hydrostatycznej, czyli gradientu ciśnienia wewnętrznego, wytworzonego przez energię cząstek z których obiekt jest stworzony i który rekompensuje odwrotną do niego siłę grawitacji. Gdy masa, tym samym grawitacja staje się zbyt duża, równowaga zostaje zachwiana, energii nie starcza na dłuższe przeciwdziałanie grawitacji, przez co następuje gwałtowny (mało powiedziane) kolaps. Wpychając protony w jądra atomowe, łączy protony z elektronami, tworząc neutrony. Drugi powód, czysto praktyczny jest taki, że w dysku protoplanetarnym zwyczajnie nie ma tylu ciężkich pierwiastków, czy tym bardziej skał, aby stworzyć planetę tych rozmiarów. 90% masy takiego dysku z reguły stanowią gazy.

Więc czy planeta skalista o rozmiarach Jowisza mogłaby istnieć? 

Nie, planeta skalista o rozmiarach Jowisza miałaby tak olbrzymią masę oraz co najważniejsze gęstość, że pod wpływem własnych sił grawitacyjnych prawdopodobnie stałaby się Czarną Dziurą.

- "Od czego zależy czy planeta jest skalista czy gazowa? Od rozmiaru?"
W zasadzie jest na odwrót, to rozmiar planety zależy od jej rodzaju.

- "Czy mogłaby istnieć planeta gazowa rozmiarów Ziemi"
Raczej nie. Przede wszystkim dlatego, że planeta gazowa działa trochę jak kula śnieżna, im większa się staje, tym więcej gazów pochłania, wiec taka planeta cały czas zwiększała by tempo pochłaniania gazów z otoczenia, a tym samym rozmiar i masę. Gdy jednak gazu w dysku protoplanetarnym zaczyna brakować, młoda planeta gazowa traci swój budulec. Gdyby była rozmiarów Ziemi, prawdopodobnie jej masa byłaby na tyle niewielka, że własna grawitacja nie byłaby w stanie utrzymać wierzchnich warstw gazowych.

- To są ogólne zasady powstawania planet wokół gwiazd ciągu głównego, nie mniej zdarzają się zawsze pewne, nazwijmy to anomalię. Są układy gwiezdne, w których Gazowe Olbrzymy orbitują bardzo blisko wokół rodzimej gwiazdy. Średnicę tych orbit można porównać do orbity Merkurego, przez to planety te zapalają się i zaczynają spalać wodór, z którego są głównie zbudowane. Taką klasę planet nazywa się Gorącymi Jowiszami. Jednak nie powstają one blisko gwiazdy, bo to jest niemożliwe. Zakłada się, że Gorące Jowisze powstają w strefie linii lodu, tak jak każdy gazowy olbrzym, ale na skutek oddziaływań grawitacyjnych z gwiazdą, innymi obiektami dysku oraz niestabilnej orbicie, migrują w pobliże gwiazdy i dopiero tam ich orbita się stabilizuje.

- W innych układach gwiezdnych rzecz jasna występują skaliste planety, znacznie, znacznie większe od tych znanych nam z Układu Słonecznego. Największe zaobserwowane Superziemie, to planety węglowe rozmiarami niemalże przekraczającymi 10-krotność masy Ziemi.

- Mechanizm powstawania planet jest nieco inny w pobliżu gwiazd nie należących do ciągu głównego. Na przykład planety okrążające pulsary. Niestety byłoby to zbyt wiele, aby opisać w jednym wpisie. Z pewnością wrócę do tego tematu. 

Na tym kończę wstęp do powstawania planet. W przyszłości mam jednak zamiar powrócić do tego niezwykle ciekawego zagadnienia, aby opisać już dokładniej poszczególne procesy oraz zaobserwowane przykłady.

Do usłyszenia!