Wielkie tajemnice wszechświata często obracają się wokół odległych, niewidzialnych zjawisk. Naukowcy zastanawiają się nad niewytłumaczalnymi uderzeniami fal radiowych, nieuchwytną naturą grawitacji i tym, czy ciemna energia przenika kosmos. Ale inne zagadki można znaleźć w naszym własnym zakątku galaktyki, wpatrując się nam prosto w twarz - jak dzisiejsza Ziemia stała się planetą.
To pytanie wciąż fascynuje badaczy, którzy starają się zrozumieć, w jaki sposób powstała Ziemia i dlaczego tak dobrze nadaje się do organizowania życia. Mogło się to potoczyć inaczej - wystarczy spojrzeć na naszą najbliższą sąsiadkę i prawie bliźniaczką Wenus, która nie ma ciekłej wody i której powierzchnia jest gorąca 870 stopni Fahrenheita. „Wenus i Ziemia są rodzajem ostatecznego przypadku sterowania”, mówi Sue Smrekar z NASA Jet Propulsion Laboratory. „Nie do końca rozumiemy, jak Ziemia stała się tak nadająca się do zamieszkania, a Wenus tak niezamieszkała”.
To trochę zaskakujące, biorąc pod uwagę, że Ziemia jest zdecydowanie najlepiej zbadaną planetą we wszechświecie. Ale procesy geologiczne, takie jak tektonika płyt, nieustannie przetwarzają dowody przeszłości, a większość krytycznych informacji o składzie Ziemi ukryta jest w jej ogromnych, niedostępnych głębinach. „Próbujesz zrozumieć planetę, którą możesz próbkować tylko na powierzchni” - mówi James Badro, geofizyk z Instytutu Fizyki Ziemi w Paryżu. Chociaż naukowcy zgromadzili bogatą wiedzę z badań ziemi pod naszymi stopami, pełna historia budowy i ewolucji Ziemi pozostaje nieznana.
Tak więc badacze zwrócili się o pomoc po niebo. Badali inne układy gwiezdne, szukając wskazówek i szukali budulców Ziemi wśród szczątków Układu Słonecznego. Teraz pakiet planowanych i proponowanych misji kosmicznych może pomóc naukowcom w uzupełnieniu brakujących elementów.
Od badania nowych aspektów ciał protoplanetarnych po ustalenie, skąd pochodzą i jak się ze sobą zmieszali, badacze mają nadzieję na określenie procesów formowania się planet, które stworzyły Ziemię. Dla wielu jest to tyle samo filozoficzne poszukiwanie, co naukowe. „To kwestia naszego pochodzenia”, mówi Badro.
Wrażenie artysty na temat proponowanej misji do Psyche, asteroidy uważanej za całkowicie metalową. (NASA / JPL-Caltech) Większość badaczy zgadza się teraz co do ogólnej historii naszego Układu Słonecznego. Zaczęło się 4, 6 miliarda lat temu, kiedy ogromna chmura gazu i pyłu unosząca się w przestrzeni zapadła się na siebie, być może wywołana falą uderzeniową pobliskiej supernowej. Spłaszczona chmura wirowała następnie w wirujący dysk, z którego - około 100 milionów lat później - nasz układ słoneczny wynurzył się mniej więcej w swoim obecnym stanie: słońce otoczone ośmioma planetami i niezliczonymi mniejszymi ciałami rozproszonymi po całym.
Drobne szczegóły dotyczące tego, jak powstało nasze kosmiczne sąsiedztwo, pozostają jednak sporne. Na przykład naukowcy wciąż debatują o tym, z czego zbudowane są planety. „Wiemy, jak to wygląda ciasto”, mówi Lindy Elkins-Tanton z Arizona State University, „ale chcielibyśmy również wiedzieć, jak wyglądają te wszystkie poszczególne składniki” - mówi.
Naukowcy uważają, że planety lądowe wyrosły, pochłaniając mniejsze planetozymale - obiekty o średnicy do dziesiątek mil, które gromadziły się z pyłu protoplanetarnego. Trudno jednak określić skład i strukturę tych planetozymali. Studiowanie naszej kolekcji meteorytów - fragmentów asteroid, które spadły na Ziemię - jest dobrym miejscem do rozpoczęcia, mówi Francis Nimmo, planetolog z University of California, Santa Cruz. Ale to nie wystarczy.
Jest tak, ponieważ niekoniecznie mamy próbki wszystkiego, co trafiło na planety - niektórych składników może brakować lub mogą już w ogóle nie istnieć. Niektóre meteoryty wydają się przyzwoicie dopasowane do Ziemi, ale naukowcy nie mogą wymyślić żadnej kombinacji rodzajów meteorytów, która w pełni wyjaśnia skład chemiczny Ziemi. „Jest to trochę niewygodne, ponieważ oznacza, że tak naprawdę nie wiemy, jak zbudowano Ziemię”, mówi Nimmo.
Elkins-Tanton ma nadzieję, że proponowana przyszła misja - jeden z pięciu finalistów programu Discovery NASA - może pomóc. Projekt, kierowany przez Elkinsa-Tantona, wysłałby bezzałogowy statek kosmiczny do odwiedzenia obiektu o nazwie Psyche, który znajduje się w pasie asteroid między Marsem a Jowiszem. Psyche ma szerokość około 150 mil i na podstawie zdalnych obserwacji jego gęstości i składu powierzchni wydaje się być wykonana z litego metalu. Może również przypominać budulec Ziemi.
„Może to być mały rdzeń ciała, które powstało w ziemskim regionie kształtującym planety i zostało po prostu uderzone przez wiele innych rzeczy, a jego skalista część zewnętrzna została zdjęta”, mówi Elkins-Tanton. Podczas misji NASA Dawn naukowcy badali asteroidę Vesta, protoplanetę, która prawdopodobnie również uformowała się w pobliżu Ziemi, a następnie została wyrzucona do pasa asteroid. Jest to jednak wyjątkowa okazja, aby zobaczyć, co kryje się pod powierzchnią takich obiektów jak Westa, która wzbudza Elkinsa-Tantona.
„Psyche jest jedynym ciałem w Układzie Słonecznym, które pozwala nam bezpośrednio obserwować metalowy rdzeń” - mówi. „To może być nasza jedyna szansa na przyjrzenie się tego rodzaju składnikowi.” Wraz z innymi finalistami Discovery, Elkins-Tanton i jej koledzy dowiedzą się we wrześniu, czy misja jest udana.
Według klasycznego modelu formacji planetarnej, gdy planetozymale osiągnęły rozmiar Psyche - dziesiątki do setek mil - zaczęły kanibalizować swoich sąsiadów, mówi Kevin Walsh, planetolog z Southwest Research Institute w Boulder w Kolorado. „Największe rosną bardzo szybko”, mówi, dzięki ich rosnącemu wpływowi grawitacji.
Ten proces niekontrolowanej akrecji spowodowałby wzrost liczby ciał w Układzie Słonecznym do być może stu zarodków planetarnych wielkości Księżyca i Marsa oraz odrobiny mniejszych szczątków. Z czasem zarodki te powoli łączyły się, tworząc planety.
Ale chociaż to wyjaśnienie działa dobrze dla planet lądowych, co sugerują dowody geologiczne powstałe w ciągu 30 do 100 milionów lat, stanowi problem dla gazowych gigantów, takich jak Jowisz. Naukowcy uważają, że rdzenie tych ciał musiały rosnąć znacznie szybciej - wystarczająco szybko, aby uchwycić ich ogromne atmosfery z gazu obecnego we wczesnym Układzie Słonecznym, który rozproszył się w ciągu zaledwie kilku milionów lat.
W ciągu ostatniej dekady badacze opracowali alternatywny mechanizm uprawy planet zwany kamykiem. Jest to wyraźne odejście od konwencjonalnego modelu akrecji, w którym obiekty łączą się, tworząc stopniowo większe cząstki. Lub, jak ujął to Hal Levison, kolega Walsha: „Kamyki tworzą głazy, a głazy tworzą góry - aż do samej góry”. Akrecja kamyków przewiduje natomiast, że przedmioty wyrastają z brył wielkości pięści do ciał wielkości Plutona prawie natychmiast, a następnie nadal przybiera na wadze, mówi Levison, który pomógł rozwinąć hipotezę.
Proces ten rozpocząłby się wkrótce po utworzeniu dysku protoplanetarnego, gdy cząsteczki pyłu krążące wokół orbitującego młodego słońca zaczęły zderzać się i sklejać, jak zsynchronizowane łyżwiarze łączące dłonie podczas okrążenia lodowiska. Ostatecznie siły aerodynamiczne i grawitacyjne przyciągnęłyby do siebie duże skupiska tych kamyków, tworząc planetozymale. Planetesimale następnie zamiatały pozostałe kamyki wokół nich, szybko rosnąc, aż utworzyły planety.
Oprócz odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób olbrzymy gazowe rosły tak szybko, model zapewnia również sposób na pokonanie czegoś, co nazywa się barierą wielkości metra, która nęka modele akrecji planetarnej od czasu jej pierwszego zarysowania w latach siedemdziesiątych. Odnosi się to do faktu, że gdy obiekty osiągną średnicę około trzech stóp, tarcie generowane przez otaczający gaz spowodowałoby, że wyskoczyłyby spiralnie w słońce. Osadzanie się kamienia pomaga przedostawać się przez małe cząsteczki powyżej progu, dzięki czemu są wystarczająco duże, aby utrzymać własne.
Naukowcy wciąż próbują zrozumieć, czy proces ten miał miejsce w całym Układzie Słonecznym i czy przebiegałby tak samo dla planet wewnętrznych i zewnętrznych. (Choć działa na gazowych gigantów, późniejsze etapy szybkiego wzrostu nie pasują do tego, co wiemy o formowaniu się planet ziemskich). Ale naukowcy mogą znaleźć pewne wskazówki w tym roku, kiedy misja Juno NASA, która z powodzeniem dotarła do Jowisza w zeszłym miesiącu, zaczyna zbierać informacje o składzie i jądrze planety.
Walsh mówi, że ustalenie, ile materiału leży w centrum gazowego giganta, pomoże badaczom ograniczyć różne modele akrecji planetarnej. Jeśli Jowisz ma mały rdzeń, klasyczna akrecja mogłaby go wystarczająco szybko zbudować; jeśli jest duży, może to oznaczać, że zamiast tego miało miejsce coś w rodzaju kamyka.
Jowisz i jego księżyce Io, Europa i Ganymede, sfotografowane przez misję Juno wkrótce po wejściu statku kosmicznego na orbitę wokół gazowego giganta. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Zrozumienie, w jaki sposób powstał Jowisz, pomoże naukowcom zrozumieć pochodzenie innych planet, w tym Ziemi. To dlatego, że Jowisz został oskarżony o wtrącanie się w budowę wewnętrznych skalistych planet, przynajmniej zgodnie z nowym pomysłem opracowanym przez Walsha i innych, który zyskał przyczepność w ostatnich latach.
Hipoteza, znana jako model Grand Tack, sugeruje, że po zakończeniu formowania Jowisza oczyściłby cały materiał na swojej drodze wokół Słońca, skutecznie wycinając szczelinę w dysku protoplanetarnym. Dysk wciąż jednak zawierał dużo gazu i pyłu, które dociskały się w stronę słońca, gdy dysk spłaszczał się i rozciągał, mówi Walsh.
Szczelina Jowisza skutecznie blokowała przepływ tego materiału, a planeta „została złapana w wody powodziowe”, mówi Walsh. Migrował na orbitę Marsa, a Saturn znajdował się tuż za nim. Ale w miarę upływu czasu Saturn ciągnął wystarczającą ilość materiału, aby ponownie podłączyć dysk. To uwolniło presję na Jowisza, umożliwiając obu planetom powrót z powrotem, wszystko w ciągu kilkuset tysięcy lat. Model został zainspirowany obserwacjami dziwnie uporządkowanych planet w innych układach słonecznych, które sugerują, że takie migracje są powszechne, mówi Walsh.
Dla reszty Układu Słonecznego byłoby to coś w rodzaju pary byków w kosmicznym sklepie z porcelaną. Walsh mówi, że fragmenty gruzu z wewnętrznego układu słonecznego zostałyby wyrzucone, podczas gdy bałagan z zewnętrznego układu zostałby wciągnięty. Model pomaga wyjaśnić wymiary runta Marsa oraz liczbę i różnorodność ciał znalezionych dzisiaj w pasie asteroid.
Zapewnia również możliwe wyjaśnienie, w jaki sposób planety ziemskie dostały wodę. Według Grand Tacka migracja planet gazowych miałaby miejsce, gdy planety ziemskie wciąż się formowały, i mogła wrzucić do mieszanki materiał bogaty w wodę z zewnętrznego układu słonecznego. Walsh i wielu innych naukowców sądzi, że asteroidy węglowe, które mogły powstać poza Jowiszem, były głównymi nośnikami dostarczania wody na Ziemię.
We wrześniu NASA rozpocznie misję odwiedzenia jednej z takich planetoid o nazwie Bennu. Walsh jest wspólnym badaczem projektu o nazwie OSIRIS-REx, który zbada ciało z daleka, zanim pobierze próbkę, aby sprowadzić ją z powrotem na Ziemię. Podobna misja japońskiej agencji kosmicznej o nazwie Hayabusa 2 jest na dobrej drodze, by w 2018 roku wypróbować inną asteroidę węglową.
Naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się więcej o tym, skąd pochodzą te asteroidy i czy rzeczywiście są źródłem klasy meteorytów zwanych chondrytami węglowymi. Mają również nadzieję, że badanie nieskazitelnej próbki - a nie fragmentu meteorytu - pomoże odkryć, czy obiekty te dostarczyły nie tylko wodę na Ziemię, ale związki organiczne, które mogły służyć jako prekursory życia.
Gdy OSIRIS-REx wraca na Ziemię, może krzyżować się z Lucy, kolejną proponowaną misją, która podobnie jak Psyche jest finalistą programu Discovery. Prowadzona przez Levisona Lucy chce zbadać ostatnie poważne wstrząsy, które wstrząsnęły naszym Układem Słonecznym - planetarne tango, które rozpoczęło się około 500 milionów lat po Wielkim Tacku. Właśnie wtedy, zgodnie z hipotezą Levisona i innych, Pluton wywołał niestabilność, która spowodowała, że Neptune gra w klasy poza Uranem i zewnętrznych gigantów gazowych migruje z dala od Słońca do ich obecnej pozycji.
To zaburzenie, znane jako model nicejski, spowodowałoby, że deszcz gruzów wiałby do wewnętrznego układu słonecznego, prawdopodobnie wyjaśniając grupę uderzeń powstających w okresie znanym jako późne ciężkie bombardowanie. Planety lądowe, takie jak Ziemia, w większości utworzyły się w tym punkcie, więc wydarzenie nie wpłynęło znacząco na ich skład. Być może rzucił jednak krzywą w naukowców próbujących zrozumieć, jak ewoluował układ słoneczny. Walsh mówi, że to zakłócenie mogło spowodować wrzucenie obiektów do wewnętrznego układu słonecznego, które nie miały żadnego połączenia z materiałami tworzącymi większość planet ziemskich.
Lucy może pomóc naukowcom dowiedzieć się, co się naprawdę wydarzyło, i pozwolić im rozplątać to, co się pomieszało. Osiągnąłby to, badając grupę asteroid zablokowanych na orbicie Jowisza. Obiekty te, znane jako trojany Jowisz, są mieszaniną ciał, które powstały w zewnętrznym Układzie Słonecznym, a następnie zostały zmontowane podczas migracji.
W połowie 2020 roku, kiedy misja do nich dotrze, trojany będą zorientowane w odpowiedniej konfiguracji dla statku kosmicznego, aby odbyć wielką trasę po sześciu ciałach. „Czciłem niebiańskich bogów mechaników przez całą moją karierę”, mówi Levison, dynamika planetarna. „Postanowili mi spłacić, ponieważ planety dosłownie się wyrównują”.
Levison twierdzi, że dokładne zbadanie trojanów pozwoli badaczom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstało mieszanie modeli nicejskich, a także może zapewnić test kamyka. Hipoteza przewiduje, że wszystko o średnicy mniejszej niż około 60 mil powinno faktycznie być fragmentem większego ciała. Jest to prognoza, którą Lucy powinna przetestować.
Wrażenie artysty z powierzchni Wenus, gdzie temperatura jest łagodna 870 stopni Fahrenheita. (ESA / AOES Medialab) Razem te misje wydają się być gotowe do dalszego zrozumienia przez naukowców pochodzenia Ziemi, prawdopodobnie w sposób, w jaki naukowcy nie potrafią sobie nawet wyobrazić. W końcu zbudowanie solidnego obrazu formacji planetarnej wymaga połączenia danych z wielu różnych źródeł, mówi David Stevenson, planetolog z Caltech.
Jednak przed nami jeszcze długa droga, zanim zrozumiemy, co sprawia, że Ziemia i Wenus są tak różne. „To prawie wstyd, że siedzimy na Ziemi i mamy tę wielką najbliższą planetę, że jesteśmy tak nieświadomi” - mówi Stevenson. „Powodem, dla którego jesteśmy tak nieświadomi, jest cholernie gorąco!”
Rzeczywiście, piekielne warunki na powierzchni Wenus utrudniły starania o szczegółowe zbadanie planety. Rosja zdołała wylądować na powierzchni szeregu statków kosmicznych między latami 60. i 80. Przeżyli tylko kilka godzin i przesłali krótkie błyski danych, zanim ulegli upałowi. Ale te i inne misje, takie jak Pioneer i Magellan NASA, które badały planetę z daleka, zapewniły wgląd w funkcjonowanie planety.
Wiemy na przykład, że Wenus ma intensywną atmosferę szklarniową wykonaną prawie w całości z dwutlenku węgla i wydaje się, że straciła większość swoich wód powierzchniowych. Może to zapobiegać występowaniu tam tektoniki płyt - uważa się, że woda smaruje koła płyt podrzędnych. Może to również wyjaśniać, dlaczego Wenus nie ma pola geomagnetycznego, które wielu naukowców uważa za konieczne do życia, ponieważ osłania planetę przed spustoszeniem wiatru słonecznego. Nimmo mówi, że pola geomagnetyczne są wytwarzane przez konwekcję w rdzeniu ciała i polegają na cyrkulacji płaszczowej - często związanej z płytową tektoniką - w celu odprowadzenia ciepła.
Naukowcy chcą przede wszystkim próbek skał powierzchniowych Wenus, ale pozostaje to odległym celem. W dającej się przewidzieć przyszłości naukowcy będą musieli zadowolić się bardziej odległymi obserwacjami, takimi jak te z obecnej japońskiej misji. Na początku tego roku statek kosmiczny Akatsuki zaczął w końcu przekazywać dane ze swojej orbity wokół Wenus po nieplanowanym pięcioletnim objeździe wokół Słońca.
Ponadto NASA rozważa dwie własne misje skoncentrowane na Wenus, które są także finalistami Discovery. Jeden projekt o nazwie VERITAS jest prowadzony przez Smrekara i obejmowałby orbitera zdolnego do badania geologii planety w wysokiej rozdzielczości. Druga proponowana misja, kierowana przez Lori Glaze z Goddard Space Flight Center, analizowałaby unikalną atmosferę Wenus za pomocą sondy o nazwie DAVINCI.
Mamy nadzieję, że wysiłki te ujawnią, dlaczego Wenus ewoluowała tak, jak to zrobiła, a tym samym co wyróżnia Ziemię. W tej chwili wielu badaczy uważa, że Ziemia i Wenus prawdopodobnie powstały z mniej więcej tego samego materiału, a następnie rozeszły się w czasie z powodu kilku czynników. Należą do nich ich różna bliskość do Słońca oraz fakt, że Ziemia doznała poważnej kolizji stosunkowo późno w swojej historii - uderzenia, które utworzyło Księżyc - które ponownie stopiłyby znaczną część planety i potencjalnie zmieniłyby jej dynamikę.
Ale dopóki nie dowiemy się więcej o tym, jak powstały planety w naszym Układzie Słonecznym i jakie procesy ukształtowały ich ewolucję, nie będziemy wiedzieć, co odróżnia gościnną planetę od jałowej, mówi Walsh. „Mamy teleskopy w kosmosie, które polują na planety wielkości Ziemi wokół innych gwiazd, ale nie mamy pojęcia, czy planeta ewoluuje w Wenus czy w Ziemię”, mówi. „I na tym polega cała gra w piłkę”.
