Cum s-au format planetele Jupiter şi Saturn?

După mai multe decenii de explorare a Sistemului Solar, mai avem încă multe de învățat despre planetele aflate în apropierea noastră. O enigmă în acest sens este modul prin care s-au format planetele gigante de gaz în primele zile ale Sistemului Solar, teoriile actuale sugerând că acestea s-ar fi format în urma unor ciocniri repetate între diferite obiecte cosmice. Acestea ar fi fost de aproximativ zece ori mai mici decât Luna.

Planeta Jupiter. Credit: NASA, ESA, și A. Simon (Goddard Space Flight Center), CC BY-SA

În prezent, un nou model sugerează că aceste planete s-ar fi putut forma din pietricele relativ mici, în urma unui proces lent. S-ar putea ca prin această descoperire să putem răspunde la o serie de alte întrebări despre planete.

În prezent știm o mulţime de lucruri despre Sistemul Solar. Soarele și planetele sale s-au format dintr-un nor de gaz și praf în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani. Noi putem vizualiza acest proces în alte locuri din galaxia noastră. După ce pietricelele din care se formează planetele ajung la o anumită dimensiune, planetele nou formate se pot mări datorită efectului lor gravitațional asupra obiectelor mai mici aflate în apropiere şi care, în cele din urmă, ajung să se prăbuşească pe suprafața acestora. Acesta este un proces violent prin care planetele devin tot mai mari.

Cum se formează planete mari și mici dintr-un disc de gaz și praf aflat în rotaţie? Aceasta este întrebarea la care încearcă să răspundă noul nostru studiu.

Structura internă a planetelor gazoase gigant. Credit: RHorning/wikimedia

În ultimul deceniu oamenii de știință au propus o serie de modele de formare a planetelor, începând cu presupunerea că în discul protoplanetar din gaz și praf se formează foarte repede o mulţime de obiecte mici. Dacă efectuaţi o simulare a acestui scenariu (denumit „modelul standard” în noul studiu), se poate observa că praful poate forma smocuri și că în continuare apar obiecte tot mai dense având o mărime cuprinsă între câţiva centimetri şi chiar mai mult de un metru. Aceste obiecte, numite „pietricele” (da, e un termen tehnic), pot crește destul de repede și masa lor ajunge să atingă rapid masa Pământului.

Problema este că în acest mod se formează prea multe protoplanete de mărimea Pământului, dacă presupunem că acest proces se întâmplă în mod constant. În acest fel protoplanetele s-ar perturba reciproc între ele şi astfel orbitele lor nu ar mai fi aliniate cu discul din jurul stelei.

Cu toate acestea, discul este singurul loc în care există suficientă materie pentru ca aceste protoplanete să continue să crească, pentru a arăta în final ca Jupiter şi Saturn. Conform modelului standard, datorită orbitelor pe care se deplasează, acestea nu mai captează materia din disc, ceea ce înseamnă că ele se opresc din creștere. În acest fel Sistemul Solar ar conţine o mulţime de obiecte de mărimea Pământului și nicio planetă gigantă formată din gaz.

Aceasta este o problemă în calea înțelegerii modului în care s-au format giganții de gaz. Dacă se constată că prin aplicarea modelului standard se formează 100 de protoplanete similare Pământului şi nicio planetă gigant de gaz, atunci modelul este, în mod clar, incomplet.

O planetă gazoasă gigant aflată în apropierea Sistemului Solar. Reprezentare artistică. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI), CC BY-SA

Se ştie, de asemenea, că Sistemul Solar nu este unic în acest sens. Datorită datelor furnizate de telescopul spaţial Kepler, ştim că există un număr mare de sisteme solare care par să conţină câteva planete gigante spre periferie și planete mai mici, (posibil) planete stâncoase, la interior, similare planetei noastre. Prin urmare, înţelegerea modului prin care se formează giganții de gaz este foarte importantă.

Care este soluția la aceste probleme? Noul model sugerează că protoplanetele s-ar putea forma mai lent. Într-adevăr, dacă pietricelele se formează mai puțin repede, atunci obiectele care cresc din ele sunt mai puțin numeroase și se măresc mai lent.

Autorii au efectuat o altă simulare, de data aceasta adăugând lent pietricele în discul protoplanetar. Astfel, discul nu devine granular dintr-o dată, pietricelele se formează treptat, ici și colo, iar cele mai mari protoplanete pot creşte până la o mărime mult mai mare. În noul model cele mai mici obiecte sunt fie capturate de cele mai mari obiecte din disc, fie sunt împrăștiate departe de disc, oprindu-se din creştere, ca în cazul modelului standard. În același timp, cele mai mari obiecte pot creşte tot mai repede (limitate în mare măsură de cât de lent se formează pietricelele) până când rezultă un gigant de gaz.

În viitor simularea va fi perfecţionată şi ea va utiliza computere mult mai performante, dar rezultatele obţinute până acum reprezintă un început promițător, deoarece modelul nostru a fost în măsură să reproducă o serie de caracteristici ale Sistemului Solar, eliminând în același timp unele dintre problemele modelului precedent. În cazul în care rezultatele preliminare se confirmă, oamenii de știință vor fi în măsură să răspundă şi la alte întrebări precum: cum au ajuns planetele să ocupe poziția lor curentă sau cum și când giganții de gaz au acumulat gazul din care sunt formaţi.

Traducere după How did Jupiter and Saturn form? The answer may lie with the humble pebble