Jak narodził się Układ Słoneczny

W skali kosmosu Układ Słoneczny wydaje się nieistotny, jeśli porównamy go z galaktykami i gwiazdami. Pojawił się dość późno w kosmicznej historii i właśnie dlatego mówimy o nim dopiero pod koniec naszej biografii Wszechświata. Rozpoczęliśmy książkę od Wielkiego Wybuchu, ale wydaje się, że dopiero teraz dochodzimy do punktu kulminacyjnego, którym jest pojawienie się ludzkości jako zjawiska kosmicznego. Jest to bardzo subiektywny punkt widzenia i to, co dla nas jest ukoronowaniem wszystkiego, w szerszej perspektywie jawi się jako krótkotrwałe zdarzenie o ograniczonym znaczeniu.

Możliwość powstania planet i wykształcenia się na ich powierzchni życia, związana z ośrodkiem międzygwiazdowym naszej Galaktyki, zaczęła się w pełni urzeczywistniać w Układzie Słonecznym, gdy w mgławicy słonecznej uformowało się Słońce. Mgławica słoneczna utworzyła dysk gazu i ziaren pyłu, które krążyły wokół rodzącego się Słońca po mniej lub bardziej kołowych orbitach. Gaz pochodzący z przestrzeni międzygwiazdowej składał się głównie z pozostałego po Wielkim Wybuchu wodoru i helu, ale oprócz tego zawierał też proste cząsteczki złożone z atomów pierwiastków, takich jak węgiel, tlen i azot, które powstały w gwiazdach.

Najwięcej było cząsteczek zbudowanych z niewielkiej liczby atomów, ponieważ ich wytworzenie w galaktycznej próżni jest prostsze niż uformowanie się bardziej skomplikowanych związków. W dysku mgławicy słonecznej znajdowały się więc między innymi cząsteczki wodoru (dwa atomy wodoru, H2), wody (dwa atomy wodoru i jeden tlenu, H2O), amoniaku (trzy atomy wodoru i jeden azotu, NH3) oraz tlenku i dwutlenku węgla (jeden atom węgla i jeden lub dwa atomy tlenu, CO i CO2). Występowały w nim również nieco bardziej skomplikowane związki, takie jak metanol (jeden atom węgla, jeden tlenu i cztery wodoru, CH3OH) i aldehyd octowy (dwa atomy węgla, jeden tlenu i cztery wodoru, CH3CHO).

Najbardziej złożone cząsteczki, jakie odkryto do tej pory w przestrzeni międzygwiazdowej, zawierają dwanaście lub nawet więcej atomów, na przykład benzen, C6H6, z sześcioma atomami węgla i sześcioma wodoru ułożonymi w kształt pierścienia. Fulereny są cząsteczkami złożonymi tylko z jednego rodzaju atomów, ale za to zawierającymi ich dużo – każda cząsteczka jest strukturą 60 atomów węgla ułożonych w formie przypominającej kopułę geodezyjną zaprojektowaną przez architekta Buckminstera Fullera.

Możemy się domyślać, że podobną złożoność mogły mieć cząsteczki mgławicy słonecznej, zanim doszło do jej ogrzania, zagęszczenia i wykształcenia się bardziej skomplikowanych związków. Dysk miał skład chemiczny zbliżony do tego, jaki obecnie mają komety w Układzie Słonecznym – prawdę mówiąc, komety utworzyły się właśnie z materiału mgławicy słonecznej. Przestrzeń międzygwiazdowa jest zimna, podobnie jak komety, i cząsteczki te, a także inne podobne związki chemiczne, były początkowo zamrożone w ziarnach mgławicy słonecznej złożonych z różnych odmian lodu. Cztery i pół miliarda lat temu drobiny te zaczęły się ze sobą sklejać, tworząc komety. Te spośród nich, które nie zbliżyły się z jakiegoś powodu do obszaru ogrzewanego przez Słońce – w którym dochodzi do uruchomienia dalszych reakcji chemicznych – istnieją praktycznie w niezmienionym stanie od chwili, gdy się uformowały.

Czytaj więcej

Plus Minus

Dzień się już nachylił

Poukładane życie Zofii Koniarkowej z liczną rodziną w bogucickim domu przerwał stukot niemieckich oficerek. 4 września 1939 roku rozbrzmiewał nim rynek, gdzie stał rozentuzjazmowany, hajlujący tłum mniejszości niemieckiej i tych, którzy nagle poczuli się Niemcami.

Gdzie przebiega linia śniegu

Gdy wszystkie te cząsteczki zagęszczały się, tworząc mgławicę słoneczną, w jej środku powstawało Słońce świecące coraz jaśniej i wytwarzające coraz więcej ciepła. W obszarach położonych najbliżej rodzącej się gwiazdy ziarna pyłu, które nie znajdowały się w cieniu, zaczęły się ogrzewać. Lód się topił i parował – a raczej, mówiąc ściślej, ulegał sublimacji, ponieważ w przestrzeni kosmicznej lód przekształca się bezpośrednio z postaci stałej w gazową, bez przechodzenia przez etap cieczy. (Tak samo zachowuje się na Ziemi zamrożony dwutlenek węgla, dlatego w przedstawieniach teatralnych wykorzystuje się suchy lód do uzyskania na scenie efektu mgły). Gaz powstały z lodu w wyniku sublimacji dołączył do innych składników gazowych mgławicy słonecznej i po dawnych ziarnach lodu pozostały jedynie drobiny substancji stałych.

Granicę między strefą wewnętrzną, w której doszło do wyparowania większości lodu, i strefą zewnętrzną, wciąż zawierającą zmrożony lód, nazywamy linią śniegu, w nawiązaniu do używanego w geografii pojęcia linii wiecznego śniegu oznaczającego poziom, powyżej którego śnieg utrzymuje się na wysokich szczytach przez cały rok. W przypadku młodych gwiazd, takich jak Słońce, linia śniegu przebiega najczęściej w odległości dwa lub trzy razy większej od promienia ziemskiej orbity (jedną z miar odległości stosowanych w astronomii jest „jednostka astronomiczna”, zdefiniowana jako odległość równa promieniowi orbity Ziemi, zatem chodzi o odległość wynoszącą od 2 do 3 jednostek astronomicznych, co w Układzie Słonecznym odpowiada mniej więcej orbicie Marsa). Po wewnętrznej stronie linii śniegu mgławica słoneczna wyschła w wyniku sublimacji lodu i składała się z drobin ciał stałych. Cząsteczki gazu (głównie wodoru i helu) ogrzały się i uległy rozproszeniu, oddalając się od Słońca. Na zewnątrz linii śniegu ziarna zachowały swoje lodowe otoczki, a substancje gazowe pozostały na miejscu.

Położenie linii śniegu jest nieco inne dla różnych związków chemicznych, w zależności od temperatury, w której przechodzą one ze stanu stałego w gazowy. Podawany zazwyczaj promień linii śniegu jest wartością odpowiadającą granicy między występowaniem wody w postaci pary wodnej i lodu. Jednak w ogólnym przypadku w poszczególnych odległościach występowały stopniowe zmiany w składzie mgławicy słonecznej, w miarę jak kolejne związki przechodziły w stan gazowy. To oznacza, że skład ciał Układu Słonecznego jest różny, w zależności od tego, gdzie się uformowały.

Gdy w mgławicy protoplanetarnej dochodzi do utworzenia się protogwiazdy, linia śniegu przebiega początkowo blisko rodzącej się gwiazdy. Oznacza to, że nie możemy za pomocą dostępnych obecnie teleskopów obserwować wnętrza takiej mgławicy – wyjątkiem jest jeden niezwykły przypadek protogwiazdy V883 Orionis. Jej zdjęcia wykonano za pomocą interferometru radiowego Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (w skrócie ALMA – wielka sieć radioteleskopów prowadzących obserwacje w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych na pustyni Atacama), który jest niezwykłym teleskopem stanowiącym część Europejskiego Obserwatorium Południowego, działającym na płaskowyżu Chajnantor u podnóża chilijskich Andów, niedaleko miejscowości San Pedro de Atacama. (...)

Niestety, urządzenie to pozwala wykrywać tylko gaz i pył. Astronomowie nie mogą zobaczyć bezpośrednio żadnego obiektu większego od piłki tenisowej i mniejszego od dużej planety, zatem nie są w stanie prześledzić poszczególnych etapów procesu wzrostu planetozymali, w wyniku którego powiększają się one od obiektów wielkości kamieni i skał (meteoroidów) do planetoid i planet. Ponieważ niewielkie planetozymale są istotą mechanizmu tworzenia się planet, mają kluczowe znaczenie dla całego procesu, ale ich dokładna rola pozostaje do pewnego stopnia nieznana.

Czytaj więcej

Plus Minus

"Stwórca Gwiazd": Kosmos ostateczny

Olaf Stapledon porwał się w 1937 roku na dalekosiężne fantazjowanie, które dziś niewiele jest warte – nawet nie w sensie profetycznym czy naukowym.

Wybuch, który wiele pokazał

Nawet mimo zdumiewająco dużej ostrości obrazów tworzonych za pomocą teleskopu ALMA uczeni zazwyczaj nie mogą dostrzec granicy wyznaczonej przez linię śniegu w zwyczajnych dyskach protoplanetarnych, ponieważ odległość wynosząca od 2 do 3 jednostek astronomicznych znajduje się tak daleko w głębi mgławicy protoplanetarnej, że nie można już tam odróżnić poszczególnych struktur od znajdującej się w środku gwiazdy.

Na szczęście jednak, jak wspomnieliśmy, odkryto jeden szczególny przypadek. W 2016 roku przeprowadzono obserwacje dysku protoplanetarnego wokół gwiazdy V883 Orionis i okazało się, że linia śniegu znajduje się w nim w odległości przekraczającej 40 jednostek astronomicznych (w Układzie Słonecznym taka odległość odpowiada orbicie Neptuna). Krążąca tam gwiazda o masie o jedną trzecią większej od masy Słońca jest podobna do naszej macierzystej gwiazdy, ale przez pewien czas świeciła 400 razy jaśniej niż zazwyczaj. Nastąpił w niej wybuch, nagły wzrost temperatury i jasności wynikający z przepływu dużej ilości materiału z dysku do gwiazdy, co spowodowało uaktywnienie najpierw dysku, a potem powierzchni samej gwiazdy. Na krótki czas dysk został nadmiernie rozgrzany wybuchem, co doprowadziło do uwolnienia cząsteczek zamrożonych związków chemicznych w wewnętrznej strefie dysku protoplanetarnego. Doszło do przekształcenia wody w parę wodną w promieniu 40 jednostek astronomicznych od gwiazdy.

Wśród innych związków znajdujących się w stanie gazowym wykryto tam między innymi cząsteczki metanolu (CH3OH), acetonu (CH3COCH3), aldehydu octowego (CH3CHO), mrówczanu metylu (CH3OCHO) i acetonitrylu (CH3CN). Te bardziej złożone cząsteczki organiczne znajdują się wewnątrz odpowiadającej im linii śniegu w odległości 60 jednostek astronomicznych.

Czytaj więcej

Plus Minus

Jeż i tajemnice wszechświata

Dobre pióro Iana Stewarta, matematyka i popularyzatora, gwarantowało każdej jego książce sukces. Tak jest i tym razem.

W poszukiwaniu brakującego atomu

Mgławica słoneczna utworzyła dysk gazu, lodu i drobin pyłu krążący wokół Słońca. Proces łączenia się drobin ciał stałych i rozrastania się ich do obiektów wielkości Ziemi wciąż jest przedmiotem intensywnych badań, ale w ogólnym zarysie mogło to przebiegać w następujący sposób. Około 100 tysięcy lat po narodzinach Układu Słonecznego ziarna pyłu były małe i niezrównoważony ładunek elektryczny w którymś z nich mógł wpłynąć na trajektorie pozostałych drobin. Gdy doszło do zetknięcia się okruchów o przeciwnych ładunkach elektrostatycznych, obie drobiny sklejały się ze sobą.

Inny podobny efekt mógł być związany z okruchem pyłu, w którym w jednej z cząsteczek znajdujących się na powierzchni brakowało jednego atomu, w wyniku czego cząsteczka ta miała wolne wiązanie chemiczne. Gdy doszło do zetknięcia się dwóch ziaren z wolnymi wiązaniami chemicznymi, cząsteczki w obu drobinach mogły się ze sobą połączyć, a to, jak poprzednio, prowadziło do ich sklejenia. W taki sposób niewielkie ziarna łączyły się ze sobą, rozrastając się do kamyków o centymetrowej średnicy.

Gdy po upływie kilku milionów lat niewielkie ziarna powiększyły się do postaci kamyków, zaczęły się rozrastać o wiele szybciej. Przemierzały pył i gaz mgławicy słonecznej, powodując w dysku niewielkie zaburzenia. Materiał dysku przepływał po obu stronach powstającego zaburzenia, ale potem jego cząsteczki zderzały się ze sobą za pędzącym kawałkiem skalnym i opadały na jego tylną stronę. Ponadto cząsteczki pyłu i mniejsze drobiny skalne uderzające w pędzący fragment rozpadały się na części, odbijały od siebie, po czym opadały na jego powierzchnię. Tego typu mechanizm, nazywany procesem akrecji, prowadził do rozrastania się poszczególnych fragmentów skalnych. Kamyki powiększały się do rozmiaru głazów, a potem do wielkości skał o średnicy wielu kilometrów.

Na tym etapie takie fragmenty skalne nazywamy planetozymalami. Większe fragmenty poruszały się razem, przyciągając się wzajemnie za sprawą oddziaływania grawitacyjnego, co doprowadziło do utworzenia się protoplanet. Niektóre z nich połączyły się ze sobą, tworząc planety, inne pozostały w niezmienionej postaci i przemierzają obecnie Układ Słoneczny jako planetoidy.

Czytaj więcej

Plus Minus

Space gender opera

Powieść „Selkis" Gaja Grzegorzewska upozowała na space operę, ale obecny w niej kosmos możliwy jest do odegrania w byle mieście na Ziemi. Istnieje wprawdzie flota Układu, ale zaraz znika, bo rozwalają ją Obcy, którzy zresztą występują tylko wirtualnie. Po opisie, jakich dopuścili się zniszczeń, znikają. Ze statku na statek wchodzi się jak do pokoju, furda tam wirusy czy bakterie. Statki przypominają zmodyfikowane łajby z XIX w.: mostek kapitański, paki do przewiezienia. Planety handlowe to wypisz wymaluj ziemskie porty z ich tawernami, w których marynarze oddają się piciu i chędożeniu.

Siła przyciągania

Jednym z takich fragmentów skalnych, które przetrwały w niezmienionym stanie, jest noszący nazwę Arrokoth obiekt znajdujący się w Pasie Kuipera (jego nazwa oznacza „niebo” w języku ludu Powhatan należącym do rodziny języków algonkin, a jego symbol alfanumeryczny ma postać 2014 MU69). Arrokoth nazwano początkowo Ultima Thule (co oznacza „za najdalszym lądem”), ponieważ znajdował się w Układzie Słonecznym za orbitą Plutona. 1 stycznia 2019 roku sonda kosmiczna New Horizons przeleciała w pobliżu Arrokotha, mijając wcześniej orbitę Neptuna – najdalszej planety – a nawet Plutona. Na zdjęciach z tego przelotu widać, że Arrokoth składa się z dwóch połączonych ze sobą brył o łącznej długości 30 kilometrów, ułożonych w taki sposób, że na niektórych zdjęciach przypomina bałwana. Ma gładką powierzchnię i jednolity skład, co sugeruje, że nie uległ żadnej zmianie od chwili swojego powstania.

Obie bryły były kiedyś oddzielnymi ciałami niebieskimi, które uformowały się blisko siebie, a potem poruszały się z niewielką, spacerową prędkością względną wynoszącą około jednego lub dwóch metrów na sekundę. Pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego zbliżyły się do siebie i zaczęły się okrążać po orbicie. W końcu się zetknęły, otarły o siebie i łagodnie się połączyły. Każda z brył również składa się z mniejszych kawałków, które skleiły się ze sobą jeszcze wcześniej. Arrokoth ma taką strukturę nie dlatego, że brał udział w gwałtownych zderzeniach, ale dlatego, że przyciągał łagodnie do siebie kolejne fragmenty, przytrzymując je w delikatnym uścisku.

Protoplanety powstające w pobliżu Słońca rozrastały się dzięki przyłączaniu materii, którą napotykały na swojej orbicie. Poza linią śniegu większe olbrzymy gazowe, takie jak Jowisz, tworzyły się w bogatym, gęstym, gazowym materiale mgławicy mniej więcej w taki sam sposób, w jaki dużo wcześniej uformowały się galaktyki z wodoru wyemitowanego w Wielkim Wybuchu i gwiazdy takie jak Słońce z materii międzygwiazdowej. Mechanizm powstawania tych gazowych olbrzymów polegał na zapadaniu się materii obłoku wokół miejsca, w którym wytworzyło się nieco gęstsze skupisko gazu.

Zbawcze ciepło Słońca

Oddziaływanie grawitacyjne każdej protoplanety rosło w stopniu wystarczającym, by wpływać na mgławicę w swoim otoczeniu. Protoplanety przyciągały do siebie coraz więcej materii, którą wchłaniały, tocząc się po swojej orbicie. Niczym kosiarka, która przebija się przez wybujałą trawę i zapełnia pojemnik ściętymi źdźbłami, protoplanety krążyły w mgławicy słonecznej przez setki tysięcy lat, zgarniając wszystko, co znalazło się na ich drodze. Puste pasy są charakterystyczną cechą widoczną na wielu zdjęciach dysków protoplanetarnych wykonanych za pomocą teleskopu ALMA. Stanowią dowód na istnienie egzoplanet, które usunęły materię ze swoich trajektorii. Obrazy uzyskane dzięki teleskopowi ALMA pokazują układy planetarne istniejące w odległym kosmosie, ale być może ważniejsze jest to, że pozwalają nam wyobrazić sobie Układ Słoneczny taki, jaki był w przeszłości, w chwili, gdy dopiero się kształtował, a istniejące obecnie planety powoli się formowały.

W końcu niektóre protoplanety rozrosły się do tego stopnia, że można je było nazwać planetami. Krążąc po orbicie, odbijały światło swojej macierzystej gwiazdy. Okres obejmujący przekształcenie się mgławicy w mgławicę protoplanetarną, a następnie utworzenie się protoplanet, trwał względnie krótko, jeśli porównamy go z innymi okresami rozważanymi w astronomii, bo około 10 milionów lat.

Nowo powstałe protoplanety były ciepłe, ponieważ rozgrzały się pod wpływem procesu, który doprowadził do ich narodzin. Uderzający w powierzchnię planet deszcz pyłu, kamyków, skał i planetoid zwiększył ich temperaturę, a procesy takie jak rozpad promieniotwórczy różnych pierwiastków doprowadziły do uwolnienia ciepła w ich wnętrzu. Ciepło docierało też z zewnątrz w postaci promieniowania macierzystej gwiazdy. Astronomowie odkryli jeden układ planetarny, który bardzo przypomina Układ Słoneczny na tym etapie rozwoju – chodzi o układ planet krążących wokół gwiazdy PDS 70. Gwiazda PDS 70 nie różni się specjalnie od Słońca i ma dwie planety jowiszowe krążące wokół niej na dystansie zbliżonym do odległości Jowisza od naszej gwiazdy, jeśli więc kiedyś uda się odkryć bliżej tej gwiazdy jakieś mniejsze planety skaliste, to układ ten będzie dobrym obrazem tego, jak mógł wyglądać Układ Słoneczny w chwili swoich narodzin.