Πώς φτιάχτηκε το ηλιακό σύστημα;

Πηγή: New Scientist, 29 Ιανουαρίου 2009

Κοιτάζοντας τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, θα μπορούσαμε να συγχωρήσουμε κάποιον που σκέφτηκε ότι ανήκουν στην ίδια οικογένεια από υιοθέτηση μάλλον κι όχι από συγγένεια. Δεν είναι όμως έτσι: η ιστορία της γέννησης του ηλιακού συστήματος, μας αποκαλύπτει ότι είναι αδέλφια εξ αίματος, που όλοι δημιουργήθηκαν από το ίδιο μοριακό νέφος η κατάρρευση του οποίου σχημάτισε τον ήλιο. Μπορεί επίσης να νομίζετε ότι αυτά τα άνισα αντικείμενα είναι διάσπαρτα σε όλο το ηλιακό σύστημα χωρίς αρμονία ή αιτία. Όμως, μετακινείστε κάποιο κομμάτι του ηλιακού συστήματος σήμερα, ή δοκιμάστε να προσθέσετε κάτι παραπάνω, και η όλη κατασκευή θα διαλυθεί και τα πάντα θα πεταχτούν μοιραία προς το διάστημα. Πώς λοιπόν φτιάχτηκε αυτή η λεπτή αρχιτεκτονική;

Όταν σχηματίστηκε ο Ήλιος μας, κατάπιε περίπου το 99,8 τοις εκατό της σκόνης από το νέφος γύρω του. Σύμφωνα με την επικρατούσα εικόνα, η μικρή ποσότητα που έμεινε είχε σμιλευτεί από την βαρύτητα σε ένα λεπτό δίσκο αερίου και σκόνης που περικύκλωνε κυριολεκτικά το νεογέννητο αστέρι από παντού. Δεδομένου ότι οι κόκκοι της σκόνης αυτού του δίσκου στρέφονταν γύρω από τον ήλιο, συγκρούονταν μεταξύ τους και σταδιακά το μέγεθος τους γινόταν όλο και μεγαλύτερο. Στο εσωτερικό του δίσκου της περιοχής, η ανάφλεξη και η καύση του υδρογόνου στον ήλιο έκανε τα πράγματα πολύ καυτά, έτσι ώστε μόνο τα μέταλλα και οι πυριτικές ενώσεις με υψηλά σημεία τήξης να μπορούν να διατηρούνται σε στερεά μορφή. Τα αντικείμενα σε αυτή την περιοχή θα μπορούσαν να φθάσουν μόνο σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος - παράγοντας τέσσερις μικρούς βραχώδεις πλανήτες του εσωτερικού ηλιακού συστήματος: Ο Ερμής, η Αφροδίτη, η Γη και ο Άρης.

Δεν υπήρχαν τέτοιοι αυστηροί περιορισμοί στην παγωμένη περιοχή, όπου το μεθάνιο και το νερό είναι στερεά. Εδώ, οι πλανήτες θα μπορούσαν να μεγαλώσουν τόσο ώστε να γίνουν αρκετά μεγάλοι για να ξεκινήσει να συσσωρεύουν αέρια μόρια - κυρίως υδρογόνο - πριν η ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία διασπάσει αυτά τα μόρια. Αυτό, σε τελική ανάλυση, εξηγεί πως σχηματίστηκαν οι γίγαντες πλανήτες αερίου Δίας και Κρόνος, καθώς και οι ακόμα ψυχρότεροι γίγαντες πλανήτες με πάγο Ουρανός και Ποσειδώνας. Αυτός είναι ο λόγος που οι αστρονόμοι αναμένουν αυτοί οι πλανήτες να διαθέτουν βραχώδεις καρδιές κάτω από το υγρό κάλυμμα τους.

Μέχρι στιγμής, όλα είναι απλά. Αλλά όταν πρόκειται για ορισμένες λεπτομέρειες, το μοντέλο συσσώρευσης γίνεται μάλλον χειροκίνητο, λέει ο Alessandro Morbidelli του Παρατηρητηρίου της Κυανής Ακτής. Εν πρώτοις, κανείς δεν γνωρίζει ακριβώς πώς μικροί βράχοι μεγέθους ενός μέτρου ενώθηκαν για να φτιάξουν σώματα με διάμετρο δεκάδες χιλιόμετρα. Κανονικά τα μικρά στερεά αντικείμενα που θα είχαν συγκρουστεί κάτω από την πίεση του αερίου, θα έφταναν σπειροειδώς προς τον ήλιο προτού αυτά μπορέσουν να κολλήσουν κάποτε μαζί. Γι αυτό προτάθηκε πρόσφατα μια νέα ελπιδοφόρα άποψη που λέει είναι ότι τοπικές αναταράξεις στα αέρια δημιουργούσαν δίνες με χαμηλότερη πίεση στις οποίες οι ογκόλιθοι τελικά θα μπορούσαν να συγκρουστούν και να σχηματίσουν μεγαλύτερα σώματα.

Ένα παρόμοιο πρόβλημα προς το χειρότερο βρίσκουμε και στους γίγαντες πλανήτες αερίου, των οποίων οι πυρήνες πρέπει να έχουν γίνει στερεοί με την παρουσία αερίου, που αργότερα αυτοί οι πλανήτες θα πρέπει να έχουν συσσωρεύσει . Ο κίνδυνος αυτών των πλανητών είναι να πέσουν πάνω στον ήλιο και αυτό καταδεικνύεται από τους "καυτούς Δίιους πλανήτες" που έχουμε δει σε άλλα πλανητικά συστήματα. Οι πλανήτες αυτοί έχουν περίπου το μέγεθος του Δία, αλλά περιφέρονται σε μια τροχιά γύρω από τα αστέρια τους, ίδια με την απόσταση της Γης από τον Ήλιοή ή και πιο κοντά. Αν κάτι τέτοιο συνέβαινε στα πρώτα χρόνια του ηλιακού μας συστήματος, τότε η Γη και οι άλλοι εσωτερικοί πλανήτες θα μπορούσαν κάλλιστα να έχουν εκσφενδονιστεί όλοι τους έξω από το ηλιακό σύστημα - αν και αυτό δεν είναι σίγουρο συμπέρασμα.

Σύμφωνα με τον Phil Armitage του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Μπούλντερ, δεν υπάρχει τέτοιο σημάδι για ένα τέτοια δράμα στην γειτονιά μας. Αν και δεν υπάρχουν αποδεικτικά στοιχεία για κάποιο σούπερ φεγγάρι, το εσωτερικό ηλιακό σύστημα παρέμεινε ασταθές για τα πρώτα 100 εκατομμύρια χρόνια, όσο οι βραχώδεις πλανήτες έκαναν για να συγχωνευτούν από τα μικρά βράχια, αλλά σύντομα αυτό σταθεροποιήθηκε. Και σύμφωνα με μια θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Morbidelli, υπήρξε μια αναδιάρθρωση και επέκταση του εξωτερικού ηλιακού συστήματος μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, αφότου γεννήθηκε ο ήλιος μας, όταν ένας συγκεκριμένος συνδυασμός των τροχιών του Δία και τον Κρόνο έδωσαν μια βαρυτική εκσφενδόνιση, που έφεραν τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα στις μακρινές τροχιές που κατέχουν σήμερα. Ορισμένα από τα μικρά σώματα ήρθαν πάλι πίσω προς τον τον Δία, του οποίου η τεράστια βαρύτητα μπορεί να είχε εκτινάξει κάποια από αυτά έξω από το ηλιακό σύστημα. Βαθιά στο διάστημα, αυτά τα κομμάτια ίσως συλλέχθηκαν όλα μαζί φτιάχνοντας το Νέφος Oort.

Οι επιπτώσεις αυτής της τελευταίας βαρυτικής εκτίναξης μπορεί να είχε φέρει μια διαταραχή στη ζώνη αστεροειδών μεταξύ Άρη και Δία, δημιουργώντας έτσι καθυστερημένα ένα βαρύ βομβαρδισμό σαν ένα ντους μετεωριτών πάνω στη Γη μας, περίπου, 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ή 500 έως 600 εκατομμύρια χρόνια αφότου σχηματίστηκε ο ήλιος. Από τότε, ωστόσο, τα αντικείμενα που αποτελούν το ηλιακό μας συστήματος έχουν τακτοποιηθεί σε μια ήσυχη ισορροπία - ένα ανεκτίμητο πλεονέκτημα για μας.

Η τρέχουσα θεωρία για το πως δημιουργήθηκε το ηλιακό μας σύστημα, βασίζεται στις παρατηρήσεις των τηλεσκοπίων, δορυφόρων αλλά και στην βασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Φυσικά δεν έχουν περιληφθεί οι νέες εξελίξεις πάνω στο θέμα των πλανητών σε άλλα αστρικά συστήματα

1. Ένα νέφος του διαστρικού αερίου και σκόνης (το "ηλιακό νεφέλωμα") σε κάποια στιγμή περνάει μια φάση διαταραχής και καταρρέει κάτω από τη βαρύτητά του. Η διαταραχή αυτή θα μπορούσε να είναι, παραδείγματος χάριν, ένα κύμα κλονισμού από ένα κοντινό σουπερνόβα. 

2. Καθώς το νέφος καταρρέει, θερμαίνεται και συμπιέζεται στο κέντρο. Θερμαίνεται τόσο ώστε η σκόνη ατμοποιείται. Η αρχική κατάρρευση πρέπει να λαμβάνει σε χρόνο λιγότερο από 100.000 έτη.

3. Το κέντρο συμπιέζεται αρκετά ώστε αρχίζει να γίνεται ένας πρωτοαστέρας και το υπόλοιπο του αερίου αρχίζει να περιφέρεται γύρω από αυτό. Το μεγαλύτερο όμως μέρος αυτού του αερίου ρέει προς το εσωτερικό και συγκεντρώνεται στη μάζα του αστεριού που μόλις διαμορφώθηκε, αλλά το υπόλοιπο αέριο περιστρέφεται. Η φυγόκεντρος δύναμη αποτρέπει κάποια ποσότητα από το αέριο από το να πέσει στο αστέρι. Αντίθετα, διαμορφώνει έναν δίσκο 'προσαύξησης ή συσσώρευσης' γύρω από το αστέρι. Ο δίσκος αυτός ακτινοβολεί μακριά την ενέργειά του και ψύχεται συνεχώς.

4. Πρώτη παρατήρηση. Ανάλογα με τις λεπτομέρειες, το αέριο που περιστρέφεται γύρω από το νεαρό αστέρι ή πρωτοαστέρι μπορεί να είναι ασταθές και να αρχίσει να συμπιέζεται κάτω από τη βαρύτητά του. Αυτό παράγει ένα διπλό αστέρι. Εάν αυτό δεν γίνει... τότε

5. Το αέριο ψύχεται αρκετά για να κάνει μέταλλα, βράχια και (σε αρκετή μακριά απόσταση από το αστέρι που διαμορφώθηκε) πάγο που συμπυκνώνεται σε μικροσκοπικά σωματίδια (δηλ. κάποια ποσότητα του αερίου επιστρέφει σε μορφή σκόνης). Τα μέταλλα συμπυκνώνονται σχεδόν μόλις   διαμορφώνεται ο δίσκος προσαύξησης (πριν 4.55-4.56 δισεκατομμύρια έτη, σύμφωνα με τις μετρήσεις των ισοτόπων ορισμένων μετεωριτών). Ο βράχος όμως συμπυκνώνεται λίγο αργότερα (πριν μεταξύ 4.4 και 4.55 δισεκατομμύρια έτη).

6. Τα σωματίδια της σκόνης συγκρούονται το ένα με το άλλο και σχηματίζονται μεγάλα σώματα. Αυτό συνεχίζεται έως ότου φτάνουν τα σώματα να έχουν το μέγεθος λίθων ή μικρών αστεροειδών.

7. Η αύξηση συνεχίζεται. Καθώς το μεγαλύτερο από αυτά τα σώματα γίνεται αρκετά μεγάλο, ώστε να έχει ένα σημαντικό πεδίο, η ανάπτυξη τους επιταχύνεται. Η βαρύτητά τους (ακόμα κι αν είναι πολύ μικρή) τα κάνει να ασκούν μια δύναμη πάνω στα μικρότερα  σώματα κι έτσι τραβά ακόμη περισσότερο τα μικρότερα  σώματα, και πολύ γρήγορα, τα μεγάλα αντικείμενα έχουν συσσωρεύσει, όλη την στερεά ύλη που βρίσκεται κοντά τους, πάνω στην τροχιά τους.
   Πόσο μεγάλοι θα γίνουν αυτοί οι πλανήτες εξαρτώνται από την απόστασή που έχουν από το αστέρι και την πυκνότητα και τη σύνθεση του πρωτοπλανητικού νεφελώματος.
   Στο ηλιακό μας σύστημα, οι θεωρίες λένε ότι αυτό είναι για το εσωτερικό ηλιακό σύστημα, ένα μέγεθος ενός μεγάλου αστεροειδούς έως το μέγεθος της σελήνης, και μια έως δεκαπέντε φορές το γήινο μέγεθος, στην περιοχή του εξωτερικού ηλιακού συστήματος.
   Υπάρχει ένα μεγάλο άλμα στο μέγεθος κάπου μεταξύ των σημερινών τροχιών του Άρη και Δία : η ενέργεια από τον ήλιο θα είχε αφήσει τον πάγο σαν έναν ατμό στις πιο κοντινές αποστάσεις, έτσι η στερεά, προσαυξημένη ύλη θα γινόταν πολύ πιο συνηθισμένη πέρα από μια κρίσιμη απόσταση από τον ήλιο. Η προσαύξηση αυτών των "πλανητοειδών" σωμάτων θεωρείται πως παίρνει μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια έως περίπου είκοσι εκατομμύρια έτη, με τον πιο ακραίο πλανήτη να θέλει μεγαλύτερο χρόνο για να σχηματισθεί.

8. Δύο πράγματα ακόμη και το δεύτερο σημείο που σταματάμε. Πόσο μεγάλα ήταν εκείνοι οι πρωτοπλανήτες και πόσο γρήγορα διαμορφώθηκαν;
   Σε αυτή τη φάση, περίπου 1 εκατομμύρια έτη μετά από το ψυχθέν νεφέλωμα, το αστέρι θα παρήγαγε έναν πολύ ισχυρό ηλιακό άνεμο, ο οποίος θα έσπρωχνε μακριά όλο το αέριο που είχε αφεθεί στο πρωτοπλανητικό νεφέλωμα. Εάν ένας πρωτοπλανήτης ήταν αρκετά μεγάλος, αρκετά σύντομα, η βαρύτητά του θα ωθούσε στο νεφέλωμα αέριο, και θα γινόταν ένας γίγαντας αερίου. Αν όχι, θα παρέμενε ένας βράχος ή ένα παγωμένο σώμα.

9. Σε αυτό το σημείο, το ηλιακό σύστημα αποτελείται μόνο από τα στερεά, πρωτοπλανητικά σώματα και τους αέριος γίγαντες. Τα "πλανητοειδή" σώματα θα συγκρούονται αργά το ένα με το άλλο και θα γίνονταν πιο ογκώδη.

10. Τελικά, μετά από δέκα έως εκατό εκατομμύρια έτη, το σύστημα καταλήγει να έχει δέκα πλανήτες, σε σταθερές τροχιές, και αυτό είναι το ηλιακό μας σύστημα. Αυτοί όμως οι πλανήτες και οι επιφάνειές τους, τροποποιήθηκαν πάρα πολύ από τότε που δημιουργήθηκαν, λόγω των μεγάλων συγκρούσεων που τους με αστεροειδείς ή κομήτες (π.χ. η σύνθεση, κατά ένα μεγάλο μέρος, των μετάλλων του πλανήτη Ερμή ή του Φεγγαριού).