Stijene koje padaju na Zemlju otkrivaju drevnu tvornicu planeta iza Jupitera

Meteoriti koji završavaju u laboratorijima možda nose zapis iz jednog od najvažnijih područja ranog Sunčevog sustava: prstena prašine i plina neposredno izvan Jupiterove orbite. Novo istraživanje pokazuje da se ondje, tijekom prvih nekoliko milijuna godina nakon nastanka Sunca, nisu stvarala samo jednolika mala tijela, nego različite generacije planetezimala od kojih potječu neke od najstarijih svemirskih stijena koje danas možemo proučavati.

Studija objavljena u časopisu The Astrophysical Journal prvi put je računalnim simulacijama povezala dinamiku ranog Sunčevog sustava s kemijskim zapisom ugljikovih hondrita, meteorita koji su među najvažnijim svjedocima vremena prije nastanka planeta u današnjem obliku.

Jupiter je vrlo rano promijenio promet materijala oko mladog Sunca

U prvim milijunima godina Sunčev sustav nije izgledao kao uredan niz planeta. Mlado Sunce bilo je okruženo diskom plina i prašine u kojem su se sitne čestice sudarale, lijepile i postupno rasle. Iz tog su procesa nastajali planetezimali, kilometarska tijela koja su u nekim slučajevima nastavila rasti i postala dijelovi planeta, dok su druga ostala kao preteče asteroida.

Novo istraživanje Instituta Max Planck za istraživanje Sunčevog sustava usredotočilo se na razdoblje između otprilike dva i četiri milijuna godina nakon rođenja Sunčevog sustava. U tom trenutku Jupiter je već bio golemi planet u nastajanju. Skupio je velik dio materijala u svojoj okolini i otvorio prazninu u disku duž svoje orbite.

Ta praznina nije bila pasivan detalj. Neposredno izvan Jupiterove orbite stvorilo se područje povišenog tlaka plina. Takva zona djelovala je kao zamka za prašinu. Materijal koji bi inače nastavio putovati kroz disk prema unutrašnjem Sunčevom sustavu ondje se mogao zadržavati, gomilati i postupno prelaziti u veća tijela.

Prema novim simulacijama, taj prsten iza Jupitera bio je mnogo složeniji nego što se prije pretpostavljalo.

Ista zamka, različiti sastojci

Istraživači su pokazali da se u istom području ranog Sunčevog sustava mogu stvarati različite vrste planetezimala, ali ne nužno u isto vrijeme. To je važan pomak jer se nastanak tih prvih čvrstih tijela često zamišlja kao proces vezan uz odvojene zone u disku oko mladog Sunca. Novi model upućuje na drukčiju sliku: isto područje moglo je tijekom vremena stvarati tijela različitog sastava.

Ključnu ulogu imale su dvije vrste materijala. Prvu su činile krhke, fine čestice prašine. Drugu su činile stabilnije sitne nakupine, nastale vrlo rano u Sunčevom sustavu, na mjestima gdje je toplina već promijenila početni materijal. Te su se čestice poslije raspršile kroz disk i dio njih završio je u području iza Jupiterove orbite.

Nisu se, međutim, kretale na isti način. Sitnija prašina i veće, stabilnije čestice putovale su prema Suncu različitim brzinama. Jupiterova orbita pritom je snažnije zaustavljala veće čestice nego finiju prašinu. U isto vrijeme, nastanak prvih planetezimala trošio je dio dostupnog materijala i dodatno mijenjao omjere u tom području.

Zbog toga sastav prstena iza Jupitera nije ostao stalan. U prvih 500.000 godina udio krhkog sitnozrnatog materijala najprije se smanjivao, a zatim je tijekom sljedećih milijun godina ponovno rastao. Kasnije su se mogle oblikovati dvije jasno različite populacije planetezimala: jedne gotovo potpuno građene od krhkog materijala, druge pretežito od stabilnijih čestica.

Meteoriti su dali test koji simulacija mora proći

Najzanimljiviji dio studije nije samo u računalnom modelu, nego u tome što se njegovi rezultati poklapaju s meteoritima koji danas stižu na Zemlju. Meteoriti nisu obične svemirske stijene. Mnogi su ulomci planetezimala i gotovo se nisu promijenili od vremena kada su nastali, pa u sebi čuvaju kemijski zapis najranijeg Sunčevog sustava.

Posebno su važni ugljikovi hondriti, kameni meteoriti bogati ugljikom. Laboratorijske analize upućuju na to da su nastali izvan Jupiterove orbite, upravo u razdoblju koje su istraživači obuhvatili simulacijama. Prema starosti i sastavu razlikuje se šest skupina tih meteorita.

Među njima postoje velike razlike. Neke su skupine toliko krhke da se lako raspadaju, dok su druge znatno čvršće. U njihovoj sitnozrnatoj osnovi nalaze se vidljive inkluzije, ali ne u jednakim omjerima. Novi model pokazuje da te razlike ne moraju biti slučajne. Mogle su nastati zato što se sastav materijala u prašinskoj zamci iza Jupitera mijenjao tijekom vremena.

Simulacije su uspjele reproducirati starost i sastav svih šest skupina ugljikovih hondrita. To je važan rezultat jer model ranog Sunčevog sustava ne može ostati samo prikaz kretanja plina i prašine. Mora izdržati usporedbu sa stvarnim meteoritima, stijenama koje se danas mogu rezati, mjeriti i kemijski analizirati u laboratoriju.

Thorsten Kleine, direktor Instituta Max Planck i kozmokemičar, zato meteorite opisuje kao provjeru teorija o nastanku planeta. Kada se računalni model poklopi s onim što pokazuju meteoriti, dobiva vezu s fizičkim dokazima, a ne ostaje samo rekonstrukcija procesa koji se dogodio prije više od 4,5 milijardi godina.

Drevni prsten iza Jupitera mogao je stvarati različite svemirske stijene

Autori studije smatraju da se u istoj prašinskoj zamci nisu morali stvarati samo prethodnici ugljikovih hondrita. U ranijim fazama ondje su možda nastajale i druge vrste meteoritnog materijala. Ako je to točno, područje iza Jupitera bilo je jedno od ključnih mjesta na kojima su se stvarali planetezimali u našem sustavu.

Takva slika mijenja način na koji promatramo nastanak planeta. Rani Sunčev sustav nije bio jednostavan disk u kojem se materijal uredno slagao od unutrašnjih prema vanjskim područjima. Bio je promjenjiv, dinamičan i snažno oblikovan Jupiterovim rastom.

Prije više od 4,5 milijardi godina taj je divovski planet već usmjeravao prašinu, zaustavljao čestice i stvarao uvjete u kojima su nastajala prva čvrsta tijela. Trag tog procesa danas možda držimo u rukama svaki put kada znanstvenici analiziraju meteorite koji su pali na Zemlju.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.