Gravitacijos vaidmuo planetų formavime
Gravitacija yra pagrindinis „architektas“, formuojantis Saulės sistemą ir jos planetas. Ši jėga veikia tyliai, bet nuosekliai, traukdama materiją nuo dulkių grūdelių materijos iki milžiniškų riedulių, sukurdama stabilias planetas, skriejančias aplink žvaigždes. Be gravitacijos kosminės dujos ir dulkės niekada nesusijungtų į didesnius objektus; jos liktų atsitiktinai išsibarsčiusios po visą erdvę. Norėdami suprasti, kaip formuojasi planetos, turime išnagrinėti, kaip gravitacija veikia nuo ankstyviausių planetinės sistemos atsiradimo etapų iki jos brandos.
1. Molekuliniai debesys ir materijos kolapso pradžia
Planetų formavimasis prasideda gerokai anksčiau nei atsiranda planetos – dar anksčiau nei atsiranda žvaigždės. Tarpžvaigždinėje erdvėje yra molekulinių debesų, dujų (daugiausia vandenilio ir helio) ir mikroskopinių dulkių sankaupų. Šie debesys yra itin šalti ir trapūs, tačiau jie gali būti neįtikėtinai masyvūs. Tam tikru momentu molekulinis debesis gali tapti nestabilus. Nestabilumo priežastys gali būti įvairios: smūginės bangos iš netoliese esančios supernovos, debesų susidūrimai arba gravitaciniai trikdžiai, kuriuos sukelia kitos žvaigždės praskriejimas.
Kai debesies dalis tampa pakankamai tanki, gravitacija pradeda „laimėti“ prieš šiluminį slėgį, bandantį išsklaidyti medžiagą. Įvyksta gravitacinis kolapsas: materija traukiasi link centro, formuodama vis tankesnį branduolį. Tai yra pradinis protožvaigždės – būsimos žvaigždės – formavimosi etapas, kuri galiausiai taps planetinės sistemos centru.
2. Gravitacija ir protoplanetinių diskų susidarymas
Kolapsas nevyksta tiesiai į centrą, kaip paprasto laisvo kritimo atveju. Molekuliniai debesys paprastai šiek tiek sukasi. Materijai kolapsuojant, šis sukimasis greitėja dėl kampinio momento tvermės dėsnio (panašiai kaip dailiojo čiuožimo sportininkas tempia rankas, kad pagreitintų sukimąsi). Dėl to krintanti materija ne iš karto pasiekia centrą, o pasklinda ir sudaro plokščią, besisukantį darinį: protoplanetinį diską.
Čia gravitacija atlieka du vaidmenis. Pirma, protožvaigždės gravitacija laiko diske esančią medžiagą kartu ir neleidžia jai ištrūkti į tarpžvaigždinę erdvę. Antra, diske esančių dalelių gravitacija padeda medžiagai pradėti sulipti į gumulus. Protoplanetinis diskas yra planetos „fabrikas“, kuriame dujos ir dulkės sąveikauja milijonus metų.
3. Nuo dulkių iki planetesimalų: gravitacija kaip klijai
Ankstyvosiose disko stadijose dulkių dalelės susiduria ir sulimpa dėl elektrostatinių jėgų ir „lipnumo“ ant mikroskopinių paviršių. Tačiau norint pereiti nuo dulkių grūdelių prie didesnių objektų, galiausiai darbą perima gravitacija. Kai gumulai tampa pakankamai dideli (nuo metrų iki kilometrų), jų masė suteikia jiems didelę gravitacinę trauką. Šie objektai vadinami planetesimaliais.
Planetesiminė gravitacija veikia kaip kosminiai klijai: ji padidina tikimybę, kad susidūrimai bus „akreciniai“ (pridės masės), o ne atsimuš vienas į kitą ar bus sunaikinti. Be to, yra labai svarbus efektas, vadinamas gravitaciniu fokusavimu: gravitacijos trauka išplečia objekto „efektyvų skerspjūvį“, todėl padidėja tikimybė, kad jis pagaus kitą netoliese praskrendantį materiją.
4. Akkrecijos bėgimas: planetinio embriono gimimas
Susiformavus planetesimalams, augimo procesas gali pereiti į nevaldomo augimo fazę. Šiek tiek didesnis objektas turi stipresnę gravitaciją, todėl gali sugerti daugiau medžiagos ir dar labiau išaugti. Nedideli masės skirtumai gali greitai tapti dominuojančiais. Taip gimsta planetų embrionai arba protoplanetos – Mėnulio ar Marso dydžio objektai, kurie toliau surenka medžiagą savo kelyje.
Tačiau augimas nevyksta greitėjančiu tempu. Protoplanetoms pradėjus dominuoti savo orbitų srityse, santykinis susidūrimų dažnis didėja, o prieinamos medžiagos kiekis mažėja. Ši fazė pereina į oligarchinį augimą: kelios didelės protoplanetos („oligarchai“) auga kartu, gravitaciniu būdu veikdamos viena kitą ir kontroliuodamos atitinkamas savo zonas.
5. Gravitacija formuoja orbitos architektūrą
Planetos svarbios ne tik apie masę, bet ir apie orbitą. Žvaigždės gravitacija leidžia planetoms suktis aplink ją, o gravitacinė sąveika tarp protoplanetų ir kitų planetų lemia, ar orbitos yra stabilios, ar chaotiškos.
Formavimosi metu protoplanetos dažnai patiria dujų pasipriešinimą ir sukimo momentą iš disko. Tai gali sukelti migraciją – jų orbitų poslinkį į vidų arba į išorę. Migracija vyksta dėl kampinio momento pasikeitimo tarp planetos ir dujų disko, o tai iš esmės yra gravitacinis efektas. Daugelyje atrastų egzoplanetinių sistemų yra milžiniškų planetų, esančių labai arti savo žvaigždžių (karštųjų Jupiterių), kurios, kaip įtariama, susiformavo toliau nuo jų, o vėliau migravo į vidų.
Be migracijos, gravitacija taip pat gali įkalinti planetas orbitiniuose rezonansuose, kurie yra periodiniai modeliai, tokie kaip 2:1 arba 3:2, kai dvi planetos „užrakina“ viena kitos gravitacinę įtaką, stabilizuodamos savo orbitas tam tikru santykiu. Šie rezonansai stebimi keliose Jupiterio mėnulių sistemose ir įvairiose egzoplanetinės sistemose.
6. Gravitacija ir skirtumai tarp uolėtųjų planetų bei dujų milžinų
Kodėl egzistuoja mažos, uolėtos planetos (pvz., Žemė ir Marsas) ir dujų milžinai (pvz., Jupiteris ir Saturnas)? Svarbų vaidmenį atlieka gravitacija, temperatūra ir materijos pasiskirstymas diske.
Vidiniame diske, netoli žvaigždės, dėl aukštos temperatūros lakieji junginiai (pvz., vanduo, metanas, amoniakas) sunkiai užšąla. Planetoms formuotis lieka santykinai ribotas kiekis uolienų ir metalų. Todėl protoplanetos šiame regione paprastai nėra pakankamai masyvios, kad pritrauktų ir išlaikytų labai storą dujinę atmosferą.
Už šios ribos yra „sniego linija“ – riba, ties kuria temperatūra yra pakankamai žema, kad susidarytų ledas. Ledas prideda nemažą kiekį laisvos kietos masės. Planetos branduolys gali greitai augti, pasiekdamas kritinę masę, kai jo gravitacija gali pritraukti didžiulius vandenilio ir helio dujų kiekius iš disko. Tai yra dujų milžino atsiradimo raktas: stipri branduolio gravitacija leidžia greitai kauptis dujoms, kol disko dujos neišsenka.
7. Milžiniškų susidūrimų ir planetų formavimosi užbaigimas
Paskutinėse stadijose, kai disko dujos retėja ir didžioji dalis kietosios masės tampa protoplanetomis, sistema vis dar „nusisėda“. Dėl gravitacijos tarp protoplanetų jų orbitos gali susikirsti, sukeldamos didžiulius susidūrimus. Manoma, kad šie susidūrimai suformavo daug svarbių ypatybių: pavyzdžiui, milžiniško smūgio hipotezė paaiškina Mėnulio atsiradimą, kai Marso dydžio objektas (dažnai vadinamas Tėja) susidūrė su jauna Žeme, jo nuolaužos suformavo diską ir galiausiai susiliejo į Mėnulį.
Dėl masyvių susidūrimų gali susidaryti planetos su skirtingais branduoliais, greita sukimosi ašimi, dideliu ašies posvyriu ar netgi planetos mantijos praradimu. Vėlgi, viskas priklauso nuo gravitacijos: jėgos, kuri valdo trajektoriją, susidūrimo greitį ir nuolaužų gebėjimą rekombinuotis.
8. Gravitacija po planetos susidarymo: valymas ir stabilumas
„Susiformavusi“ planeta ne tik nustoja augti, bet ir išvalo savo orbitą. Turėdama pakankamai masės, planeta atsikratys bet kokių likusių planetesimalų trimis būdais: susidūrusi su jais, išstumdama juos iš sistemos arba pakeisdama savo orbitą taip, kad ji nebepraskrietų pro šalį. Tai viena iš priežasčių, kodėl šiuolaikinis planetos apibrėžimas pabrėžia gebėjimą „išvalyti orbitos aplinką“.
Ilgainiui planetinės sistemos stabilumą lemia gravitacija. Mažos sąveikos gali kauptis per milijonus ar milijardus metų, kartais keisdamos orbitų ekscentricitetus ir posvyrius arba sukeldamos nestabilumus, dėl kurių planetos gali būti išmestos. Daugelyje sistemų, ypač tose, kuriose planetos išsidėsčiusios arti viena kitos, subtili gravitacijos pusiausvyra lemia, ar sistema išliks, ar kolapsuos.
Išvada
Gravitacija yra pagrindinė jėga, transformuojanti išsklaidytą kosminę materiją į struktūrines planetas. Ji sukelia molekulinių debesų kolapsą, formuoja protoplanetinius diskus, leidžia dulkėms ir uolienoms susilieti į planetesimalus, pagreitina akreciją į protoplanetas, reguliuoja orbitinę migraciją ir rezonansą bei lemia, ar planeta gali tapti dujų milžine, ar likti uoline. Net ir susiformavus planetoms, gravitacija toliau formuoja sistemos evoliuciją per susidūrimus, orbitų išsivalymą ir ilgalaikę dinamiką.
Kitaip tariant, kiekviena planeta yra gravitacijos – paprastos jėgos, kuri laikui bėgant ir dėl sudėtingų sąveikų sukūrė didžiulę pasaulių įvairovę visatoje, – produktas.
