Veľké tajomstvá vesmíru sa často točia okolo vzdialených, neviditeľných javov. Vedci hádajú nevysvetliteľné výbuchy rádiových vĺn, nepolapiteľný charakter gravitácie a to, či temná energia prechádza kozmom. Ale ďalšie záhady sa dajú nájsť v našom vlastnom rohu galaxie a hľadia nás priamo do tváre - ako sa Zem stala planétou, v ktorej je dnes.
Táto otázka stále fascinuje vedcov, ktorí pracujú na tom, aby pochopili, ako sa Zem formovala a prečo je tak vhodná na hosťovanie života. Mohlo sa to ukázať inak - stačí sa pozrieť na nášho najbližšieho suseda a takmer dvojča, Venuši, ktorá nemá žiadnu tekutú vodu a ktorej povrch je napučiavajúci 870 stupňov Fahrenheita. "Venuša a Zem sú akýmsi konečným prípadom kontroly, " hovorí Sue Smrekar z laboratória NASA Jet Propulsion Laboratory. "Nerozumieme, ako Zem dopadla tak obývateľne a Venuša tak neobývateľná."
To je trochu prekvapujúce, keďže Zem je zďaleka najlepšie študovanou planétou vo vesmíre. Geologické procesy ako dosková tektonika však neustále recyklujú dôkazy o minulosti a väčšina kritických informácií o makeupe Zeme leží v jeho neprístupných hĺbkach. „Snažíte sa pochopiť planétu, ktorú môžete vzorkovať iba na povrchu, “ hovorí James Badro, geofyzik z Ústavu fyziky Zeme v Paríži. Hoci vedci získali veľa vedomostí zo štúdia na zemi pod našimi nohami, celý príbeh stavby a vývoja Zeme zostáva neznámy.
Vedci sa preto obrátili o pomoc na oblohe. Študovali ďalšie hviezdne systémy hľadajúce stopy a hľadali stavebné kamene Zeme medzi detektívmi slnečnej sústavy. Teraz by skupina plánovaných a navrhovaných vesmírnych misií mohla pomôcť vedcom vyplniť ďalšie chýbajúce kúsky.
Od skúmania nových aspektov protoplanetárnych tiel až po prehlbovanie toho, odkiaľ prišli a ako sa zmiešali, vedci dúfajú, že potlačia procesy planetárnej formácie, ktorá vytvorila Zem. Pre mnohých je to rovnako filozofický ako vedecký. "Je to otázka nášho pôvodu, " hovorí Badro.
Umelecký dojem z navrhovanej misie v Psyche, asteroid považovaný za úplne kovový. (NASA / JPL-Caltech) Väčšina vedcov sa dnes zhoduje na všeobecnej histórii našej slnečnej sústavy. Začalo to pred 4, 6 miliardami rokov, keď sa zrútil obrovský oblak plynu a prachu vznášajúci sa vo vesmíre, pravdepodobne vyvolaný nárazovou vlnou blízkej supernovy. Sploštený oblak sa potom zatočil do rotujúceho disku, z ktorého - asi o 100 miliónov rokov neskôr - sa naša slnečná sústava objavila viac-menej v jej súčasnom stave: slnko obklopené ôsmimi planétami a nespočetné množstvo menších telies rozptýlených po celom svete.
Podrobnejšie informácie o tom, ako sa formovalo naše kozmické okolie, však zostávajú sporné. Napríklad vedci stále diskutujú o tom, z čoho sú planéty vyrobené. „Vieme, ako vyzerá koláč, “ hovorí Lindy Elkins-Tanton z Arizonskej štátnej univerzity, „ale radi by sme vedeli, ako vyzerajú všetky tieto jednotlivé zložky, “ hovorí.
Vedci sa domnievajú, že pozemské planéty rástli hltaním menších planetesimálov - objektov až do priemeru desiatok kilometrov, ktoré sa hromadili z protoplanetárneho prachu. Zloženie a štruktúra týchto planetesimálov však bolo ťažké určiť. Štúdium našej zbierky meteoritov - fragmentov asteroidov, ktoré padli na Zem - je dobré začať, hovorí Francis Nimmo, planetárny vedec na kalifornskej univerzite v Santa Cruz. Ale to nestačí.
Je to preto, že nevyhnutne nemáme vzorky všetkého, čo prešlo na planéty - niektoré komponenty môžu chýbať alebo už nemusia vôbec existovať. Niektoré meteority sa zdajú byť slušnou zhodou so Zemou, ale vedci nemôžu prísť s kombináciou typov meteoritov, ktorá by plne vysvetľovala chemické zloženie Zeme. „Je to trochu nepríjemné, pretože to znamená, že nevieme, ako bola Zem zostavená, “ hovorí Nimmo.
Elkins-Tanton dúfa, že navrhnutá budúca misia - jeden z piatich finalistov pre program Discovery NASA - bude možno schopný pomôcť. Projekt, ktorý vedie Elkins-Tanton, pošle bezpilotnú kozmickú loď na návštevu objektu s názvom Psyche, ktorý je umiestnený v asteroidovom páse medzi Marsom a Jupiterom. Psychika je široká približne 150 kilometrov a na základe vzdialených pozorovaní jej hustoty a zloženia povrchu sa zdá byť vyrobená z pevného kovu. Môže sa tiež podobať stavebným blokom Zeme.
"Mohlo by to byť malé jadro tela, ktoré sa vytvorilo v oblasti formujúcej suchozemské planéty a bolo zasiahnuté mnohými inými vecami a jeho skalnatý vonkajší povrch bol odstránený, " hovorí Elkins-Tanton. Na misii NASA Dawn vedci študovali asteroid Vesta, protoplanet, ktorý sa pravdepodobne vytvoril aj blízko Zeme a potom ho vyhodili do asteroidového pásu. Je to však jedinečná príležitosť zistiť, čo leží pod povrchom objektov ako Vesta, ktoré nadchýna Elkins-Tanton.
„Psychika je jediné telo v slnečnej sústave, ktoré nám umožňuje priamo pozorovať kovové jadro, “ hovorí. „Toto by mohla byť naša jediná šanca pozerať sa na tento druh ingrediencie.“ Spolu s ostatnými finalistami Discovery Elkins-Tanton a jej kolegovia v septembri zistia, či je misia v poriadku.
Podľa klasického modelu planetárnej formácie, keď planetesimáli dosiahli veľkosť Psychea - desiatky až stovky kilometrov - začali kanibalizovať svojich susedov, hovorí Kevin Walsh, planetárny vedec z Juhozápadného výskumného ústavu v Boulder, Colorado. „Najväčší rastú naozaj rýchlo, “ hovorí vďaka ich rastúcemu gravitačnému vplyvu.
Tento proces úteku by umožnil zistiť počet telies v slnečnej sústave na asi sto-mesačné planétové embryá veľkosti Mars a rozdrvenie menších zvyškov. V priebehu času sa tieto embryá pomaly kombinovali a tvorili planéty.
Aj keď toto vysvetlenie funguje dobre pre pozemské planéty, ktoré podľa geologických dôkazov vznikli v priebehu 30 až 100 miliónov rokov, predstavuje problém pre plynové giganty, ako je Jupiter. Vedci sa domnievajú, že jadrá týchto tiel musia rásť oveľa rýchlejšie - dostatočne rýchlo, aby zachytili svoju masívnu atmosféru z plynu prítomného v skorej slnečnej sústave, ktorý sa rozptýlil len za pár miliónov rokov.
Počas posledného desaťročia vedci vyvinuli alternatívny mechanizmus pre pestovanie planét známych ako kamienková narastanie. Predstavuje výrazný odklon od konvenčného modelu narastania, pri ktorom sa objekty kombinujú a vytvárajú postupne väčšie častice. Alebo, ako to hovorí Hal Levison, Walshov kolega: „Kamienky vytvárajú balvany a balvany vytvárajú hory - celú cestu hore.“ Na druhej strane predpovede na kamienkoch predpovedajú, že objekty rastú z hrudiek na telá Pluto. takmer okamžite, a potom aj naďalej pribúdajú, hovorí Levison, ktorý pomohol rozvíjať hypotézu.
Tento proces by sa začal krátko po vytvorení protoplanetárneho disku, keď sa kúsky prachu krúžiace na obežnej dráhe mladého slnka začali zrážať a držať pohromade, ako synchronizovaní korčuliari spájajúci ruky pri krúžení na klzisku. Aerodynamické a gravitačné sily by nakoniec pritiahli veľké zhluky týchto kamienkov k sebe, čím by vytvorili planetesimály. Planetesimáli potom pokračovali v zametaní zvyšných kamienkov okolo nich a rýchlo rástli, až kým nevytvorili planéty.
Okrem riešenia otázky, ako plynové giganty rástli tak rýchlo, model tiež poskytuje spôsob, ako prekonať niečo, čo sa nazýva bariéra veľkosti metrov, ktorá trápila modely planétovej akumulácie od svojho prvého načrtnutia v 70. rokoch 20. storočia. Poukazuje na skutočnosť, že akonáhle predmety dosiahnu priemer asi tri stopy, trenie spôsobené okolitým plynom by ich priviedlo špirálovitým pohybom na slnko. Kamienková akumulácia pomáha vrhať malé častice nad prah, takže sú dostatočne veľké, aby držali svoje vlastné.
Vedci sa stále snažia pochopiť, či k tomuto procesu došlo v celej slnečnej sústave a či by to bolo rovnaké pre vnútornú aj vonkajšiu planétu. (Aj keď to funguje pre plynové giganty, neskoršie fázy rýchleho rastu sa nezhodujú s tým, čo vieme o formovaní pozemských planét). Vedci však môžu nájsť nejaké náznaky koncom tohto roka, keď misia Juno, ktorú NASA Juno, ktorá minulý mesiac úspešne dosiahla Jupiter, začne zhromažďovať informácie o zložení a jadre planéty.
Walsh hovorí, že zistenie, koľko materiálu leží v strede plynového gigantu, pomôže výskumníkom obmedziť rôzne modely planetárnej akumulácie. Ak má Jupiter malé jadro, bolo možné, že ho klasická narastanie dokázalo vybudovať dostatočne rýchlo; ak je veľký, mohlo by to znamenať, že namiesto toho sa stalo niečo ako kamienkové narastanie.
Jupiter a jeho mesiace Io, Europa a Ganymede podľa fotografie misie Juno krátko po tom, čo kozmická loď vstúpila na obežnú dráhu okolo plynového gigantu. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Pochopenie toho, ako sa Jupiter vytvoril, pomôže výskumníkom pochopiť aj pôvod iných planét vrátane Zeme. Je to preto, že Jupiter bol obviňovaný zo zasahovania do výstavby vnútorných skalných planét, prinajmenšom podľa novej myšlienky, ktorú vyvinul Walsh a ďalšie, ktorá sa získala v posledných rokoch.
Hypotéza, známa ako Grand Tackov model, naznačuje, že keď Jupiter dokončil formovanie, vyčistil by všetok materiál na svojej ceste okolo Slnka, čím by účinne vyrezal medzeru v protoplanetárnom disku. Disk však stále obsahoval veľa plynu a prachu, ktorý sa pri sploštení a roztiahnutí disku pritlačil k slnku, hovorí Walsh.
Jupiterova medzera účinne blokovala tok tohto materiálu a planéta sa „zachytila v povodniach“, hovorí Walsh. Pohyboval sa na orbitu okolo Marsu a Saturn bol na svojich pätách. Ale ako Saturn nasledoval, sledoval dostatok materiálu na opätovné pripojenie disku. Toto uvoľnilo tlak, ktorý tlačí na Jupiter, čo umožnilo obidvom planétam znovu migrovať, a to všetko za niekoľko stotisíc rokov. Model bol inšpirovaný pozorovaniami neobvykle usporiadaných planét v iných solárnych systémoch, ktoré naznačujú, že takéto migrácie sú bežné, hovorí Walsh.
Pokiaľ ide o zvyšok slnečnej sústavy, bolo by to niečo ako pár býkov v obchode s kozmickým porcelánom. Walsh hovorí, že kúsky zvyškov z vnútornej slnečnej sústavy by sa vykopli, zatiaľ čo by sa zatiahli neporiadky z vonkajšej sústavy. Tento model pomáha vysvetliť rozmery runtovej veľkosti Marsu a počet a rozmanitosť telies, ktoré sa dnes nachádzajú v asteroidovom páse.
Poskytuje tiež možné vysvetlenie toho, ako pozemské planéty dostali vodu. Podľa Grand Tacka by migrácia planét plynu prebiehala, zatiaľ čo by sa stále vyvíjali pozemské planéty, a mohla by hodiť materiál bohatý na vodu z vonkajšej slnečnej sústavy do zmesi. Walsh a mnohí ďalší vedci sa domnievajú, že uhlíkové asteroidy, ktoré sa mohli tvoriť za Jupiterom, boli hlavnými vozidlami na dodávku vody na Zem.
V septembri NASA začne misiu na návštevu jedného takého asteroidu menom Bennu. Walsh je spoluriešiteľom projektu, ktorý sa volá OSIRIS-REx a ktorý bude skúmať telo z diaľky predtým, ako ho vezme na vzorku, aby sa dostal späť na Zem. Podobná misia japonskej vesmírnej agentúry s názvom Hayabusa 2 je v roku 2018 na vzorke ďalšieho uhlíkatého asteroidu.
Vedci dúfajú, že sa dozvedia viac o tom, odkiaľ tieto asteroidy pochádzajú, a či sú skutočne zdrojom triedy meteoritov známych ako uhlíkaté chondrity. Dúfajú tiež, že štúdium nedotknutej vzorky - skôr ako fragmentu meteoritu - pomôže odhaliť, či tieto objekty dodávali nielen vodu na Zem, ale organické zlúčeniny, ktoré mohli slúžiť ako predchodcovia života.
Keď sa OSIRIS-REx vracia na Zem, mohla by prekonať cestu s Lucy, ďalšou navrhovanou misiou, ktorá je rovnako ako Psyche finalistkou v programe Discovery. Lucy, vedená Levisonom, si kladie za cieľ preskúmať posledné veľké otrasy, ktoré otriasli našou slnečnou sústavou - planetárne tango, ktoré začalo asi 500 miliónov rokov po Grand Tack. To je, keď podľa hypotézy Levisona a ďalších, Pluto vyvolalo nestabilitu, ktorá spôsobila, že Neptún skočil mimo Uránu a vonkajšie plynové giganty migrovali zo slnka na svoje súčasné pozície.
Táto porucha, známa ako model z Nice, by poslala dážď trosiek vrhajúcich sa do vnútornej slnečnej sústavy, čo by mohlo vysvetľovať zhluky nárazov, ktoré sa vytvorili počas obdobia známeho ako neskoré ťažké bombardovanie. Terestriálne planéty, ako Zem, sa väčšinou tvorili týmto okamihom, takže udalosť významne neovplyvnila ich zloženie. Vedci sa však môžu pokúsiť pochopiť, ako sa vyvinula slnečná sústava. Toto narušenie by mohlo vrhnúť predmety do vnútornej slnečnej sústavy, ktoré nesúvisia s materiálmi, ktoré tvoria väčšinu pozemských planét, hovorí Walsh.
Lucy by vedcom mohla pomôcť zistiť, čo sa skutočne stalo, a dovoliť im oddeliť to, čo sa tam zmiešalo. Dosiahlo by to vyšetrením skupiny asteroidov uzavretých na obežnej dráhe Jupitera. Tieto objekty, známe ako Jovianske trójske kone, sú zmesou telies, ktoré sa vytvorili v rámci vonkajšej slnečnej sústavy a počas migrácie sa zvrhli.
V polovici 20. rokov, keď ich misia dosiahne, budú trójske kone orientované v správnej konfigurácii, aby mohla kozmická loď absolvovať veľkú prehliadku šiestich tiel. "Uctieval som bohov nebeskej mechaniky počas celej svojej kariéry, " hovorí Levison, planetárny dynamik. "Rozhodli sa mi zaplatiť späť, pretože planéty sa doslova vyrovnávajú."
Levison hovorí, že štúdium trójskych koní zblízka poskytne vedcom jasnejšiu predstavu o tom, ako sa vyskytlo miešanie modelu Nice, a mohol by tiež poskytnúť test oblátkovej tvorby. Hypotéza predpovedá, že všetko menšie ako 60 kilometrov by malo byť v skutočnosti fragmentom väčšieho tela. Je to predpoveď, ktorú by mala byť Lucy schopná otestovať.
Umelecký dojem povrchu Venuše, kde sú teploty nepríjemné 870 stupňov Fahrenheita. (ESA / AOES Medialab) Spoločne sa zdá, že tieto misie sú pripravené na ďalšie pochopenie vedcov o pôvode Zeme, pravdepodobne spôsobmi, ktoré si vedci ešte nedokážu predstaviť. Budovanie silného obrazu planétovej tvorby si nakoniec vyžaduje kombináciu údajov z mnohých rôznych zdrojov, hovorí David Stevenson, planetárny vedec v Caltechu.
Stále však máme pred sebou dlhú cestu, kým pochopíme, čo robí Zem a Venuši tak odlišnými. "Je to takmer hanba, že sme tu, sediaci na Zemi, a máme pre nás túto najväčšiu planétu, o ktorej sme takí ignoranti, " hovorí Stevenson. "Dôvod, prečo sme tak ignoranti, je prekliaty horúco!"
Pekelné podmienky na povrchu Venuše skutočne zmarili úsilie podrobne študovať planétu. Rusku sa podarilo vylodiť sériu kozmických lodí na povrch medzi 60. a 80. rokmi. Prežili iba niekoľko hodín a krátko zazmluvnili údaje a potom podľahli teplu. Tieto a ďalšie misie, ako napríklad priekopník NASA a Magellan, ktorý z diaľky študoval planétu, však poskytli letmý pohľad na fungovanie planéty.
Vieme napríklad, že Venuša má intenzívnu skleníkovú atmosféru vyrobenú takmer výlučne z oxidu uhličitého a zdá sa, že stratila väčšinu povrchovej vody. To môže zabrániť tomu, aby sa tam vyskytovali tektonické platne - predpokladá sa, že voda maže kolesá tlmiacich dosiek. Môže tiež vysvetliť, prečo Venuši chýba geomagnetické pole, ktoré mnohí vedci považujú za nevyhnutnosť pre život, pretože chráni planétu pred pustošením slnečného vetra. Geomagnetické polia sa vyrábajú prúdením v jadre tela, hovorí Nimmo a spoliehajú sa na cirkuláciu plášťa - často zviazanú s tektonickými doskami - aby odvádzali teplo.
Vedci chcú viac ako čokoľvek iné ako vzorky povrchových hornín Venuše, ale to zostáva vzdialeným cieľom. V dohľadnej budúcnosti sa výskumníci budú musieť uspokojiť so vzdialenejšími pozorovaniami, ako sú pozorovania zo súčasnej japonskej misie. Začiatkom tohto roka kozmická loď Akatsuki konečne začala prenášať údaje zo svojej obežnej dráhy okolo Venuše po neplánovanej päťročnej obchádzke okolo Slnka.
NASA navyše zvažuje ďalšie dve vlastné misie zamerané na Venušu, ktoré sú tiež finalistami Discovery. Jeden projekt s názvom VERITAS je vedený Smrekarom a mal by zahŕňať orbitu schopného študovať geológiu planéty vo vysokom rozlíšení. Druhá navrhovaná misia, ktorú vedie Lori Glaze z Goddardovho vesmírneho letového centra, by analyzovala jedinečnú atmosféru Venuše pomocou sondy s názvom DAVINCI.
Dúfame, že toto úsilie odhalí, prečo sa Venuša vyvinula tak, ako to robila, a teda čo odlišuje Zem. V súčasnosti si mnohí vedci myslia, že Zem a Venuša sa pravdepodobne vytvorili z približne toho istého materiálu, ktorý sa potom v priebehu niekoľkých rokov líšil. Medzi ne patrí ich rôzna blízkosť k slnku a skutočnosť, že Zem zaznamenala veľkú kolíziu relatívne neskoro vo svojej histórii - dopad, ktorý vytvoril mesiac -, ktorý by roztavil väčšinu planéty a potenciálne zmenil jej dynamiku.
Ale kým nebudeme vedieť viac o tom, ako sa formovali planéty v našej slnečnej sústave a aké procesy formovali ich vývoj, nebudeme vedieť, čo odlišuje pohostinnú planétu od neplodnej, hovorí Walsh. "Vo vesmíre máme ďalekohľady, ktoré lovia planéty Zemskej veľkosti okolo iných hviezd, ale nemáme potuchy, či sa planéta vyvinie na Venuši alebo na Zem, " hovorí. "A to je celá loptová hra, na určitej úrovni."
