PALE RED DOT: Skąd wzięła się Proxima b?

gavinfeatured-1038x576

Autor: dr Gavin Coleman, Queen Mary University w Londynie

Niedawne odkrycie Proximy b rozemocjonowało nie tylko opinię publiczną, ale również zastępy naukowców, którzy próbują teraz wyjaśnić przeróżne związane z nią kwestie. W chwili, gdy piszę ten artykuł opublikowano już 8 artykułów naukowych, które zajęły się rozmaitymi tematami dotyczącymi Proximy b: od tego, na ile możliwe jest istnienie na niej życia, poprzez wpływ rozbłysków gwiazdy na planetę, aż po to, jak scharakteryzować jej atmosferę z pomocą nowego teleskopu Jamesa Webba. Chociaż te zagadnienia są istotne dla poznania obecnego stanu planety (a dokładniej tego sprzed 4,25 lat), należy odpowiedzieć na jedno ważne pytanie dotyczące jej przeszłości: jak została uformowana i wyewoluowała w planetę, którą widzimy dzisiaj? Wiedza o tym jak i gdzie powstała może dać nam cenny wgląd w jej skład i właściwości atmosferyczne, a poznanie historii jej ewolucji zapewni wskazówki dotyczące tego, czego, jeśli w ogóle czegoś, możemy się spodziewać na innych orbitach wokół Proximy Centauri. Jednak zanim przyjrzymy się bliżej przypadkowi Proximy b, warto abyśmy ustalili, z czego powstają planety i jak ogólnie dochodzi do ich pojawienia się.

Zanim narodzi się układ słoneczny, całość tworzącej go materii znajduje się w mgławicy protogwiazdowej w formie gazu i pyłu; dotyczy to gwiazdy macierzystej (składającej się głównie z wodoru i helu) oraz wszystkich planet, asteroid i cząstek pyłu (czyli głównie ciężkich pierwiastków, takich jak węgiel czy tlen). Mgławica zapada się i tworzy protogwiazdę otoczoną dyskiem protoplanetarnym. Protogwiazda akreuje ten gazowy i pyłowy dysk w okresie pomiędzy 1 a 10 milionami lat, i w tym momencie oraz miejscu spodziewamy się powstawania planet. Pył w dysku zaczyna przemieszczać się ku jego centrum, jednocześnie tworząc coraz większe grudki, które w końcu stają się ciałami wielkości asteroid. Nazywamy je planetozymalami. Orbitując wokół gwiazdy, wchodzą one w interakcje z innymi planetozymalami – od czasu do czasu wpadając na siebie i tworząc większe ciała – aż w końcu stają się obiektami wielkości planet (które nazywamy protoplanetami), podobnymi do współczesnych nam planet typu ziemskiego (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars). Jeśli te protoplanety są w stanie akreować pewną ilość materiału, wówczas mogą stać się na tyle masywne, że będą w stanie utrzymać treściwą atmosferę i urosnąć do rozmiarów gazowego giganta podobnego do Jowisza czy Saturna. Wszystko to odbywa się w okresie życia dysku protoplanetarnego, więc jedynymi obiektami, które istnieją po jego akrecji w gwiazdę są sama gwiazda, planety, które przetrwały i wszystkie pozostałe asteroidy, drobne grudki i pył.

Diagram przedstawiający powstanie gwiazdy oraz układu planetarnego z mgławicy protogwiazdowej. Źródło: Tom Greene (2001)
Diagram przedstawiający powstanie gwiazdy oraz układu planetarnego z mgławicy protogwiazdowej. Źródło: Tom Greene (2001)

Jest to bardzo ogólny opis tworzenia się planet; cóż stanie się, gdy zbadamy konkretny przypadek Proximy b? Przyglądając się indywidualnym układom, utworzyć można kilka scenariuszy opierających się na przypadku ogólnym opisanym wyżej. Wyjaśnię teraz, na czym one polegają oraz jakie mają konsekwencje dla składu i struktury Proximy b oraz dla mnogości układu Proximy Centauri – czyli, czy powinniśmy spodziewać się istnienia w nim innych planet.

Scenariusz I: lokalne powstanie planety. Uważa się, że planety typu ziemskiego w Układzie Słonecznym powstały niedaleko swoich obecnych orbit z grupy mniejszych protoplanet otoczonych mnóstwem jeszcze drobniejszych planetozymali, w środowisku pozbawionym gazu, po zniknięciu dysku. Wykorzystując ten scenariusz dla Proximy b, zakłada się, że mogła powstać wystarczająca ilość litego materiału w postaci protoplanet i planetozymali, który przemieścił się w miejsce zbliżone do położenia Proximy b zanim przestał istnieć dysk. Aby następnie utworzyć planetę, protoplanety i planetozymale weszły ze sobą w istotne interakcje grawitacyjne, których skutkiem były liczne kolizje powiększające protoplanety. Przez długi czas, czyli przez jakieś milion lat, większość planetozymali i mniejszych protoplanet była pochłaniana przez masywniejsze protoplanety, pozostawiając jedynie kilka dużych obiektów. Pierwotna masa zawarta w mniejszych obiektach zdeterminowała masę tych kilku większych ciał. Zwykle dwa lub trzy z nich składają się na 80-90% całej masy, a reszta to mniejsze obiekty. Warto tu zaznaczyć, że według tego scenariusza zawsze powstaje kilka planet. Jest to ważne dla Proximy b; jeśli powstała ona w ten sposób i jest najbardziej masywnym obiektem wśród tych, które przetrwały w najbliższej okolicy, wówczas powinniśmy w przyszłości spodziewać się odkrycia innych planet krążących wokół Proximy Centauri.

Zastanawiając się nad tym, jakiego rodzaju światem byłaby powstała w ten sposób Proxima b (tzn. czy byłaby suchą planetą skalistą, czy bogatym w wodę światem oceanów) musimy wiedzieć, z jakiego materiału została ukształtowana. Jeśli trafny jest omawiany scenariusz, Proxima b powstała z materiału znajdującego się poza linią śniegu, więc w jej składzie jest mało wody czy substancji lotnych. Jedynym sposobem na dostanie się wody na planetę jest jej dotarcie w najbliższe sąsiedztwo globu. Jeśli jakiś masywny obiekt znajdował się poza linią śniegu, mógł on wypchnąć mniejsze asteroidy i planetozymale w okolice Proximy b, dostarczając wodę i inne substancje lotne (byłoby to wydarzenie podobne do późnej fazy wielkiego bombardowania Ziemi). Jeśli rzeczywiście tak było, to Proxima b byłaby teraz nadal głównie skalista, ale znajdowałaby się na niej skromna ilość wody.

Diagram pokazujący powstanie Ziemi z dwóch protoplanet – proto-Ziemi i Thei. Źródło: Sean Raymond
Diagram pokazujący powstanie Ziemi z dwóch protoplanet – proto-Ziemi i Thei. Źródło: Sean Raymond

Scenariusz II: wiele przemieszczających się zarodków. Opisany przed chwilą scenariusz wydarzył się w środowisku wolnym od gazu. Scenariusz II zakłada utworzenie Proximy b podczas życia dysku gazowego. Jeśli planeta powstała w tym okresie, musiało to mieć miejsce z dala od gwiazdy, w odległości większej niż 1AU (ang. Astonomical Unit – jednostka astronomiczna). Dlaczego tak daleko? Planety znajdujące się w dyskach protoplanetarnych prawdopodobnie znacząco przemieszczają się w kierunku środka dysku. Wynika to z grawitacji planety, która lekko zaburza gaz w najbliższej okolicy i wymienia z nim energię orbitalną, co w konsekwencji prowadzi do zmiany jej orbity. Takie perturbacje nie są symetryczne (tzn. mają one siłę inną na obrzeżach dysku, niż w jego wnętrzu), więc rezultatem jest oddziałujący na planetę moment obrotowy netto, który zmusza ją do przemieszczenia się w kierunku do środka lub na zewnątrz dysku. Zwykle gaz znajdujący się poza orbitą planety przepycha ją mocniej niż ten znajdujący się wewnątrz jej orbity, co prowadzi do utraty przez nią energii orbitalnej. Jest to ważne, gdyż czas, którego protoplanety potrzebują na przemieszczenie się w okolice gwiazdy jest zwykle porównywalny lub krótszy od czasu istnienia dysku. Dlatego nie jest możliwe, aby Proxima b powstała blisko gwiazdy, gdy wokół niej istniał gazowy dysk, gdyż zbliżyłaby się ona do Proximy Centauri na tyle, że zostałaby przez nią pochłonięta.

Jeśli narodzinom Proximy b towarzyszyła obecność dysku gazowego akreowanego przez gwiazdę, planeta musiała powstać na jego obrzeżach. Aby było to możliwe zakładamy, że początkowa ilość mniejszych protoplanet mogła powstać właśnie tam (z półosią wielką swojej orbity większą niż 1AU). Akrecji gazowego dysku towarzyszyło przemieszczanie się protoplanet do jego środka, co zapoczątkowało ich interakcje, okazjonalne zderzenia i powstanie bardziej masywnych protoplanet. Gdy dysk powoli zanikał, wszystkie uformowane planety przemieściły się w okolice obecnego położenia Proximy b. Zwykle tylko garstka planet może przetrwać taką migrację i proces akrecji, gdyż lżejsze protoplanety zderzają się z cięższymi. Podobnie jak w scenariuszu I, dwie lub trzy planety zawierają w sobie większość masy układu. Byłyby one porównywalne do Proximy b. W okolicy krążą mniej masywne planety.

Taki rezultat wydaje się podobny do następstw zaistnienia scenariusza I, więc czym się od siebie różnią? Oba zakładają więcej planet wokół Proximy Centauri. Ale co z zawartością wody? Scenariusz I zakłada, że wszystkie planety powstały wewnątrz linii śniegu, więc powinny być suche, a scenariusz II postuluje ich powstanie daleko poza linią śniegu. Jego wynikiem byłyby planety zawierające duże ilości wody i substancji lotnych, ponieważ ciała przemieszczające się do wnętrza linii śniegu miałyby wystarczająco silną grawitację, aby te substancje przy sobie utrzymać. Proxima b byłaby zatem niezwykle bogata w wodę oraz substancje lotne i mogłaby być światem oceanów, jednym z wielu w układzie Proximy Centauri.

Ewolucja wielu protoplanet (czarne punkty) przemieszczjących się w kierunku gwiazdy, aby utworzyć Proximę b. Planety wewnątrz szarego prostokąta są odpowiednikami Proximy b, która oznaczona jest czarnym krzyżykiem.
Ewolucja wielu protoplanet (czarne punkty) przemieszczających się w kierunku gwiazdy, aby utworzyć Proximę b. Planety wewnątrz szarego prostokąta są odpowiednikami Proximy b, która oznaczona jest czarnym krzyżykiem.

Scenariusz III: utworzenie jednej planety. Jest on podobny do scenariusza II. Proxima b ponownie zostaje ukształtowana wraz z ewolucją dysku gazowego; jednak w tym wypadku zaledwie jedna protoplaneta, czyli młoda Proxima b, składa się na jej powstanie. Jest ona otoczona gąszczem planetozymali oraz drobnych ciał, i przemieszcza się w kierunku gwiazdy jednocześnie akreując wszelkie planetozymale i grudki materii, które się z nią zderzają. Protoplaneta jest w stanie migrować w okolice gwiazdy w trakcie życia dysku gazowego i w zależności od ilości planetozymali/materii, które akreuje, jej masa może być mała jak masa Marsa (0,1 masy Ziemi), lub wielka jak masa super-Ziemi (3-10 mas Ziemi). Może również mieć masę podobną do obserwowanej Proximy b (~1,3 masy Ziemi).

Gdyby według scenariusza III powstała planeta taka jak Proxima b, byłaby ona samotna. Przybyła z obrzeży dysku, spoza linii śniegu, więc obfitowałaby w wodę i substancje lotne. Byłby to świat oceanów, jednak w przeciwieństwie do scenariusza II, planeta krążyłaby wokół gwiazdy bez towarzyszy. Jeśli przyszłe obserwacje pokażą, że Proxima b rzeczywiście posiada duże ilości wody i substancji lotnych oraz że samotnie krąży wokół Proximy Centauri, ten schemat powstania okaże się najbardziej wiarygodną historią planety.

Skąd zatem wzięła się Proxima b? Czy powstała w dysku protoplanetarnym z dala od swojej gwiazdy i przemieściła się na swoją obecną orbitę, czy została uformowana w miejscu, gdzie znajduje się obecnie, po tym, jak gwiazda akreowała gaz? Czy wraz z nią powstały inne planety czy też jest sama? Czy ma znaczące ilości wody czy jest wyschnięta na wiór? Zaistnienie wszystkich przedstawionych przeze mnie scenariuszy byłoby możliwe, jednak nadal nie jest jasne, który z nich jest najbardziej prawdopodobny. Jedynie przyszłe obserwacje wskażą nam, która ze ścieżek ewolucji planetarnej jest tą, którą przeszła Proxima b. A jeśli spojrzymy dalej? Co powie nam znajomość historii powstania tego obiektu o formowaniu się planet w całej galaktyce? Czy powinniśmy się spodziewać odnalezienia innych globów orbitujących wokół własnej gwiazdy w ekosferze, czy może Proxima b jest szczęśliwym przypadkiem? Jedynie czas i więcej badań doprowadzą nas do prawdy. Tak czy inaczej, wiedząc skąd przybyła Proxima b i w jaki sposób stała się planetą, którą jest dzisiaj, będziemy mogli stwierdzić, czego spodziewać się po innych gwiazdach naszej galaktyki oraz czy mamy szansę znaleźć kiedyś planetę typu ziemskiego tętniącą życiem…

Nota edytorska. Jest to artykuł popularnonaukowy oparty na naukowym raporcie “Exploring plausible formation scenarios for the planet candidate orbiting Proxima Centauri”, http://adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv160806908C.

O autorze. Gavin Coleman prowadzi badania na Queen Mary University w Londynie. Niedawno zakończył studia doktoranckie, podczas których zajmował się powstawaniem układów planetarnych oraz czynnikami wpływającymi na różnorodność ich architektury. Współpracuje z projektem Pale Red Dot i aktywnie uczestniczy w tworzeniu jego strony.

Artykuł powstał w ramach kampanii społecznej projektu Pale Red Dot i w oryginale dostępny jest na stronie projektu pod adresem: www.palereddot.org