Gravitācijas loma planētu veidošanā
Gravitācija ir galvenais "arhitekts", kas veido Saules sistēmu un tās planētas. Šis spēks darbojas klusi, bet konsekventi, savelkot matēriju no putekļu graudiņu mēroga līdz milzu laukakmeņiem kopā, veidojot stabilas planētas, kas riņķo ap zvaigznēm. Bez gravitācijas kosmiskā gāze un putekļi nekad nesaplūstu lielākos objektos; tie paliktu nejauši izkaisīti pa visu kosmosu. Lai saprastu, kā veidojas planētas, mums jāizpēta, kā gravitācija darbojas no planētu sistēmas dzimšanas pašiem agrākajiem posmiem līdz tās briedumam.
1. Molekulārie mākoņi un matērijas sabrukšanas sākums
Planētu veidošanās sākas ilgi pirms planētu rašanās — pat pirms zvaigžņu rašanās. Starpzvaigžņu telpā ir molekulārie mākoņi, gāzes (galvenokārt ūdeņraža un hēlija) un mikroskopisku putekļu kopas. Šie mākoņi ir ārkārtīgi auksti un trausli, tomēr tie var būt neticami masīvi. Kādā brīdī molekulārais mākonis var kļūt nestabils. Nestabilitātes izraisītāji var būt dažādi: triecienviļņi no tuvumā esošas supernovas, sadursmes starp mākoņiem vai gravitācijas traucējumi, ko izraisa citas zvaigznes pabraukšana garām.
Kad daļa mākoņa kļūst pietiekami blīva, gravitācija sāk "uzvarēt" pār termisko spiedienu, kas mēģina sadalīt materiālu. Notiek gravitācijas sabrukums: matērija tiek vilkta uz centru, veidojot arvien blīvāku kodolu. Šis ir protozvaigznes — nākotnes zvaigznes — veidošanās sākotnējais posms, kas galu galā kļūs par planētu sistēmas centru.
2. Gravitācija un protoplanetāro disku veidošanās
Sabrukšana nenotiek tieši uz centru, kā tas notiek vienkāršā brīvā kritienā. Molekulārajiem mākoņiem parasti ir neliela rotācija. Materiālam sabrūkot, šī rotācija paātrinās leņķiskā momenta nezūdamības dēļ (līdzīgi kā daiļslidotājam velkot rokas, lai paātrinātu rotāciju). Tā rezultātā krītošā viela ne uzreiz sasniedz centru, bet gan izklīst, veidojot plakanu, rotējošu struktūru: protoplanetāru disku.
Šeit gravitācijai ir divas lomas. Pirmkārt, protozvaigznes gravitācija notur diskā esošo materiālu kopā un neļauj tam izkļūt starpzvaigžņu telpā. Otrkārt, gravitācija starp daļiņām diskā palīdz materiālam sākt salipt kopā. Protoplanetārais disks ir planētas "fabrika", kur gāze un putekļi mijiedarbojas miljoniem gadu.
3. No putekļiem līdz planētu maketiem: gravitācija kā līme
Diska agrīnajās stadijās putekļu daļiņas saduras un salipst elektrostatisko spēku un mikroskopisko virsmu "lipīguma" dēļ. Tomēr, lai no putekļu graudiem pārietu uz lielākiem objektiem, galu galā darbu pārņem gravitācija. Kad pikas ir pietiekami lielas (no metriem līdz kilometriem), to masa piešķir tām ievērojamu gravitācijas pievilkšanas spēku. Šos objektus sauc par planetesimāliem.
Planetesimālā gravitācija darbojas kā kosmiskā līme: tā palielina iespēju, ka sadursmes būs "akrēcijas" (pievienojot masu), nevis atsitīsies viena pret otru vai tiks iznīcinātas. Turklāt pastāv būtisks efekts, ko sauc par gravitācijas fokusēšanu: gravitācijas spēks paplašina objekta "efektīvo šķērsgriezumu", palielinot tā iespējamību uztvert citu tuvumā esošu matēriju.
4. Akrēcijas skrējiens: planētas embrija dzimšana
Pēc planetesimālu izveidošanās augšanas process var nonākt nekontrolētas augšanas fāzē. Nedaudz lielākam objektam ir spēcīgāka gravitācija, kas ļauj tam uztvert vairāk materiāla un izaugt vēl lielākam. Nelielas masas atšķirības var ātri kļūt dominējošas. Tas rada planētu embrijus jeb protoplanētas, objektus Mēness vai Marsa lielumā, kas turpina slaucīt materiālu savā ceļā.
Tomēr augšana neturpinās paātrinātā tempā. Protoplanētām sākot dominēt savos orbitālajos reģionos, palielinās sadursmju relatīvais ātrums un samazinās pieejamā materiāla daudzums. Šī fāze pāriet uz oligarhisku augšanu: vairākas lielas protoplanētas ("oligarhi") aug kopā, gravitācijas ietekmē viena otru un kontrolējot savas attiecīgās zonas.
5. Gravitācija veido orbītas arhitektūru
Planētām nav tikai masa, bet arī orbīta. Zvaigznes gravitācija notur planētas riņķojam ap to, savukārt gravitācijas mijiedarbība starp protoplanētām un citām planētām nosaka, vai orbītas ir stabilas vai haotiskas.
Veidošanās laikā protoplanētas bieži izjūt gāzes pretestību un griezes momentu no diska. Tas var izraisīt migrāciju — to orbītu nobīdi uz iekšu vai uz āru. Migrācija notiek leņķiskā momenta apmaiņas dēļ starp planētu un gāzes disku, kas būtībā ir gravitācijas efekts. Daudzās atklātajās eksoplanētu sistēmās ir redzamas milzu planētas, kas atrodas ļoti tuvu savām zvaigznēm (karstie Jupiteri), un pastāv spēcīgas aizdomas, ka tās ir izveidojušās tālāk un pēc tam migrējušas uz iekšu.
Papildus migrācijai gravitācija var iesprostot planētas arī orbitālajās rezonansēs, kas ir periodiski modeļi, piemēram, 2:1 vai 3:2, kur divas planētas "bloķē" viena otras gravitācijas ietekmi, stabilizējot to orbītas noteiktā proporcijā. Šīs rezonanses ir novērojamas vairākās Jupitera pavadoņu sistēmās un dažādās eksoplanētu sistēmās.
6. Gravitācija un atšķirības starp akmeņainajām planētām un gāzes gigantiem
Kāpēc pastāv mazas, akmeņainas planētas (piemēram, Zeme un Marss) un gāzes giganti (piemēram, Jupiters un Saturns)? Savu lomu spēlē gravitācija, kā arī temperatūra un matērijas sadalījums diskā.
Iekšējā diskā, netālu no zvaigznes, augsta temperatūra apgrūtina gaistošu savienojumu (piemēram, ūdens, metāna, amonjaka) sasalšanu. Planētu veidošanai ir palicis relatīvi ierobežots daudzums akmeņaina un metāliska materiāla. Līdz ar to protoplanētas šajā reģionā parasti nav pietiekami masīvas, lai piesaistītu un uzturētu ļoti biezu gāzveida atmosfēru.
Aiz šīs robežas atrodas "sniega līnija" — robeža, pie kuras temperatūra ir pietiekami zema, lai veidotos ledus. Ledus pievieno ievērojamu daudzumu pieejamās cietās masas. Planētas kodols var strauji augt, sasniedzot kritisko masu, kur tā gravitācija var no diska piesaistīt milzīgu daudzumu ūdeņraža un hēlija gāzes. Tas ir gāzes giganta dzimšanas atslēga: spēcīgā kodola gravitācija ļauj ātri uzkrāties gāzei, pirms diska gāze beidzas.
7. Milzu sadursmes un planētu veidošanās pabeigšana
Pēdējā stadijā, kad diska gāze kļūst retāka un lielākā daļa cietās masas ir kļuvusi par protoplanētām, sistēma joprojām nav "nomierinājusies". Gravitācija starp protoplanētām var izraisīt to orbītu krustošanos, izraisot masīvas sadursmes. Tiek uzskatīts, ka šīs sadursmes ir izveidojušas daudzas svarīgas iezīmes: piemēram, milzu trieciena hipotēze izskaidro Mēness izcelsmi, kad Marsa izmēra objekts (bieži saukts par Teiju) sadūrās ar jauno Zemi, tā atlūzas veidoja disku un galu galā saplūda ar Mēnesi.
Masīvas sadursmes var radīt planētas ar atšķirīgiem kodoliem, strauju rotāciju, ārkārtēju ass slīpumu vai pat planētas apvalka atdalīšanos. Atkal viss ir atkarīgs no gravitācijas: spēka, kas nosaka trajektoriju, sadursmes ātrumu un atlūzu spēju atkal apvienoties.
8. Gravitācija pēc planētas veidošanās: attīrīšana un stabilitāte
"Izveidojusies" planēta ne tikai pārstāj augt; tā arī attīra savu orbītu. Ar pietiekamu masu planēta atbrīvosies no atlikušajiem planetesimāliem trīs veidos: saduroties ar tiem, izmetot tos no sistēmas vai mainot savu orbītu tā, lai tie vairs nelidotu garām. Šis ir viens no iemesliem, kāpēc mūsdienu planētas definīcija uzsver spēju "attīrīt orbītas apkārtni".
Ilgtermiņā planētu sistēmas stabilitāti joprojām nosaka gravitācija. Nelielas mijiedarbības var uzkrāties miljonu vai miljardu gadu laikā, dažreiz mainot orbītu ekscentricitātes un slīpumus vai izraisot nestabilitāti, kas izraisa planētu izmešanu. Daudzās sistēmās, īpaši tajās, kurās planētas atrodas tuvu viena otrai, trauslais gravitācijas līdzsvars nosaka, vai sistēma izdzīvos vai sabruks.
Secinājums
Gravitācija ir galvenais spēks, kas pārveido izkliedēto kosmisko matēriju strukturētās planētās. Tā izraisa molekulāro mākoņu sabrukšanu, veidojot protoplanetārus diskus, ļaujot putekļiem un iežiem saplūst planetesimālos, paātrinot akrēciju protoplanētās, regulējot orbitālo migrāciju un rezonansi, kā arī nosakot, vai planēta var kļūt par gāzes gigantu vai palikt akmeņaina. Pat pēc planētu izveidošanās gravitācija turpina veidot sistēmas evolūciju, izmantojot sadursmes, orbitālo attīrīšanas mehānismu un ilgtermiņa dinamiku.
Citiem vārdiem sakot, katra planēta ir gravitācijas produkts — vienkāršs spēks, kas laika gaitā un sarežģītu mijiedarbību rezultātā ir radījis milzīgo pasauļu daudzveidību Visumā.
