Ich zdaniem pierścienie pyłu mogły uniemożliwić Ziemi wyrośnięcie do rozmiarów super-Ziemi. Tak określa się klasę egzoplanet, które są masywniejsze od Ziemi, ale lżejsze od lodowych olbrzymów, takich jak Neptun i Uran.

Dlaczego Ziemia nie jest większa

Super-Ziemie mogą być zbudowane z gazu, skał lub kombinacji obu tym materiałów. Są one od dwóch razy większe od Ziemi i do 10 razy masywniejsze. Tego typu planety stanowią około 30 procent ciał niebieskich orbitujących wokół gwiazd podobnych do Słońca.

Jednak nie jest tak w Układzie Słonecznym. – W Układzie Słonecznym stało się coś, co musiało uniemożliwić Ziemi osiągnięcie większych rozmiarów. Dlatego nie jest super-Ziemią, a po prostu Ziemią – uważa dr André Izidoro, astrofizyk z Rice University.

Aby zrozumieć, jak do tego doszło, dr Izidoro wraz ze współpracownikami użyli superkomputera do wygenerowania setek symulacji formowania się Układu Słonecznego. W ich modelu, który został opisany w artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym „Nature Astronomy”, wokół Słońca wytworzyły się pierścienie podobne do tych obserwowanych wokół wielu odległych, młodych gwiazd. Symulacje opierają się na najnowszych badaniach astronomicznych nad wczesnymi systemami gwiezdnymi.

Wokół młodych gwiazd tworzą się pierścienie pyłu

Przez dziesięciolecia naukowcy wierzyli, że gaz i pył w otaczających młode gwiazdy dyskach protoplanetarnych stopniowo stawały się mniej gęste w miarę wzrostu odległości od gwiazdy. Ale symulacje komputerowe pokazują, że planety raczej nie uformują się z gładkich dysków.

– W gładkim dysku wszystkie cząstki stałe – ziarna pyłu lub głazy – powinny być bardzo szybko wciągane przez gwiazdę – wyjaśnia prof. Andrea Isella, fizyk i astronom z Uniwersytetu Rice, współautor badań. – Trzeba czegoś, co je powstrzyma. Co da im czas na wyrośnięcie na planety.

Z symulacji wynika, że dyski protoplanetarne wcale nie są gładkie. Występują w nich obszary o większym zagęszczeniu materii. Tworzą one charakterystyczne pierścienie.

Ich istnienie nie wynika tylko z teorii. Astronomowie zaobserwowali takie pierścienie za pomocą interferometru ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), położonego na płaskowyżu Chajnantor w chilijskich Andach.

– ALMA jest w stanie wykonać bardzo ostre zdjęcia młodych układów planetarnych, które wciąż się formują. Odkryliśmy, że wiele dysków protoplanetarnych w tych układach zawiera pierścienie – mówi prof. Isella. –  Są one regionami, w których jest więcej cząstek pyłu niż w szczelinach między pierścieniami.

Model opracowany przez zespół dr. Izidoro zakłada, że podobne pierścienie powstały we wczesnym Układzie Słonecznym w trzech miejscach. Ten położony najbliżej Słońca to miejsce, w którym później uformowały się Merkury, Wenus, Ziemia i Mars.

Z pierścieni pyłu formują się planety

Dyski protoplanetarne z czasem się ochładzają. Proces ten sprawia, że pył zbija się w obiekty wielkości asteroid zwane planetozymalami. Te zaś zderzają się ze sobą i łączą, tworząc planety.

Dr Izidoro wyjaśnia, że wcześniejsze badania zakładały, że planetozymale mogłyby powstać, gdyby pył był wystarczająco skoncentrowany. Jednak żaden model nie oferował przekonującego teoretycznego wyjaśnienia, w jaki sposób pył może się gromadzić.

– Nasz model pokazuje, że różnice gęstości mogą koncentrować pył. W efekcie powstaje coś, co działa jak fabryka planetozymali – mówi dr Izidoro.

Ale jak to się stało, że nasza planeta nie wyrosła do rozmiarów super-Ziemi? Zdaniem badaczy jest to związane z momentem, w którym doszło do uformowania się pierścieni.

Gdyby środkowy pierścień pojawił się później, mogłoby dojść do powstania super-Ziemi. Stało się jednak inaczej, dlatego nasza planeta nie jest tak masywna, jak mogłaby być – mówi dr. Izidoro.

Źródła: Nature Astronomy, Rice University.
Konsultacja merytoryczna: prof. Leszek Błaszkiewicz