Velká tajemství vesmíru se často točí kolem vzdálených, neviditelných jevů. Vědci hádají o nevysvětlitelném výbuchu rádiových vln, nepolapitelné povaze gravitace a zda temná energie prostupuje vesmírem. Ale další záhady lze nalézt v našem vlastním rohu galaxie a hledí nás přímo do tváře - jako by se Země stala planetou, jakou je dnes.
Tato otázka stále fascinuje vědce, kteří pochopili, jak se Země utvořila a proč je tak dobře vhodná pro hostování života. Mohlo se to ukázat jinak - stačí se podívat na našeho nejbližšího souseda a téměř dvojče, Venuši, která nemá tekutou vodu a jejíž povrch je bobtnavý 870 stupňů Fahrenheita. "Venuše a Země jsou druh konečného kontrolního případu, " říká Sue Smrekar z NASA Jet Propulsion Laboratory. "Nechápeme, jak Země skončila tak obývatelně a Venuše tak neobyvatelná."
To je trochu překvapivé, vzhledem k tomu, že Země je zdaleka nejlépe studovanou planetou ve vesmíru. Ale geologické procesy, jako je tektonika desek, neustále recyklují důkazy o minulosti a většina kritických informací o makeupu Země leží skrytá v jeho obrovské, nepřístupné hloubce. "Snažíte se pochopit planetu, kterou můžete vzorkovat pouze na povrchu, " říká James Badro, geofyzik z Ústavu fyziky Země v Paříži. Přestože vědci získali spoustu znalostí ze studia země pod našimi nohama, celý příběh konstrukce a vývoje Země zůstává neznámý.
Vědci se proto obrátili na nebe o pomoc. Studovali další hvězdné systémy hledající stopy a hledali stavební kameny Země mezi detrity sluneční soustavy. Nyní by sada plánovaných a navrhovaných vesmírných misí mohla vědcům pomoci vyplnit více chybějících kusů.
Vědci doufají, že od studia nových aspektů protoplanetárních těl, až po to, odkud přišli a jak se smíchají, potlačí procesy planetární formace, která stvořila Zemi. Pro mnohé je to stejně filozofický úkol jako vědecký. "Je to otázka našeho původu, " říká Badro.
Umělecký dojem na navrženou misi k Psyche, asteroid považovaný za zcela kovový. (NASA / JPL-Caltech) Většina vědců se nyní shoduje na obecné historii naší sluneční soustavy. Začalo to před 4, 6 miliardami let, když se na sebe zhroutil obrovský oblak plynu a prachu vznášející se ve vesmíru, pravděpodobně vyvolaný rázovou vlnou nedaleké supernovy. Zploštělý mrak se pak otočil do rotujícího disku, ze kterého - asi o 100 miliónů let později - se naše sluneční soustava objevila ve více či méně současném stavu: slunce obklopené osmi planetami a nesčetnými menšími těly rozptýlenými skrz.
Jemnější podrobnosti o tom, jak se naše kosmické okolí formovalo, však zůstávají sporné. Například vědci stále diskutují o tom, z čeho jsou planety vyrobeny. "Víme, jak dort vypadá, " říká Lindy Elkins-Tanton z Arizonské státní univerzity, "ale rádi bychom věděli, jak vypadají všechny tyto jednotlivé ingredience, " říká.
Vědci si myslí, že pozemské planety rostly pohlcením menších planetesimálů - předmětů až do desítek mil v průměru, které se nahromadily z protoplanetárního prachu. Složení a struktura těchto planetesimálů však bylo obtížné určit. Studium naší sbírky meteoritů - fragmentů asteroidů, které upadly na Zemi - je dobré začít, říká Francis Nimmo, planetární vědec na kalifornské univerzitě v Santa Cruz. Ale to nestačí.
Je to proto, že nemáme nutně vzorky všeho, co šlo na planety - některé komponenty mohou chybět nebo už nemusí vůbec existovat. Některé meteority se zdají být slušnou shodou se Zemí, ale vědci nemohou přijít s jakoukoli kombinací typů meteoritů, která by plně vysvětlovala chemické složení Země. "Je to trochu nepříjemné, protože to znamená, že opravdu nevíme, jak byla Země dána dohromady, " říká Nimmo.
Elkins-Tanton doufá, že navrhovaná budoucí mise - jeden z pěti finalistů programu NASA Discovery - může být schopen pomoci. Projekt, vedený Elkinsem-Tantonem, by poslal bezpilotní kosmickou loď na návštěvu objektu s názvem Psyche, který sedí v pásu asteroidů mezi Marsem a Jupiterem. Psychika je zhruba 150 mil široká a na základě dálkových pozorování její hustoty a složení povrchu se zdá být vyrobena z pevného kovu. Může se také podobat stavebním kamenům Země.
"Mohlo by to být malé jádro těla, které bylo vytvořeno v oblasti formující pozemskou planetu a bylo zasaženo mnoha dalšími věcmi a jeho skalnatý vnější povrch byl odstraněn, " říká Elkins-Tanton. Na misi NASA Dawn vědci studovali asteroid Vesta, protoplanet, který se pravděpodobně také vytvořil poblíž Země a poté byl vyhozen do pásu asteroidů. Je to však jedinečná příležitost zjistit, co leží pod povrchem objektů, jako je Vesta, které Elkins-Tanton vzrušuje.
"Psychika je jediné tělo ve sluneční soustavě, které nám umožňuje přímo pozorovat kovové jádro, " říká. "Mohla by to být naše jediná šance, abychom se podívali na tento druh ingrediencí." Spolu s dalšími finalisty Discovery Elkins-Tanton a její kolegové zjistí v září, jestli je mise v pořádku.
Podle klasického modelu planetární formace, jakmile planetesimály dosáhly velikosti Psyche - desítky až stovky kilometrů - začali kanibalizovat své sousedy, říká Kevin Walsh, planetární vědec v Jihozápadním výzkumném ústavu v Boulderu v Coloradu. "Největší rostou opravdu rychle, " říká díky rostoucímu gravitačnímu vlivu.
Tento proces útěku by poznal počet těl ve sluneční soustavě na možná stovku planetárních embryí velikosti Mars a rozdrcení menších zbytků. V průběhu času se tato embrya pomalu spojovala a tvořila planety.
Ale zatímco toto vysvětlení funguje dobře pro pozemské planety, které podle geologických důkazů vznikly v průběhu 30 až 100 milionů let, představuje problém pro plynové giganty, jako je Jupiter. Vědci se domnívají, že jádra těchto těl musí růst mnohem rychleji - dostatečně rychle, aby zachytily jejich masivní atmosféru z plynu přítomného v rané sluneční soustavě, který se rozptýlil během pouhých několika milionů let.
V posledních deseti letech vědci vyvinuli alternativní mechanismus pro pěstování planet známých jako oblázková akrece. Představuje výrazný odklon od konvenčního modelu akrece, ve kterém se objekty kombinují a vytvářejí postupně větší částice. Nebo, jak říká Hal Levison, Walshův kolega: „Oblázky dělají balvany a balvany dělají hory - celou cestu nahoru.“ Oblázkové narůstání naproti tomu předpovídá, že objekty rostou od hrudkovitých hrud k tělům Pluto. téměř okamžitě, a pak i nadále nabývají na hmotnosti, říká Levison, který pomohl vyvinout hypotézu.
Tento proces by začal krátce po vytvoření protoplanetárního disku, když se kousky prachu krouží kolem obíhajícího mladého slunce začaly srážet a držet se spolu, jako synchronizovaní bruslaři spojující ruce, zatímco krouží kluziště. Nakonec by aerodynamické a gravitační síly stáhly velké shluky těchto oblázků dohromady a vytvořily planetesimály. Planetesimálové pak pokračovali v zametání zbývajících oblázků kolem nich a rychle rostli, dokud nevytvořili planety.
Kromě řešení otázky, jak plynové giganty rostly tak rychle, model také poskytuje způsob, jak překonat něco, co se nazývá bariéra velikosti metru, která trápila modely planetární narůstání od svého prvního načrtnutí v 70. letech 20. století. Týká se skutečnosti, že jakmile předměty dosáhnou průměru asi 3 stopy, tření vytvářené okolním plynem by je přivedlo spirálovitě do slunce. Oblázková narůstání napomáhá vrhat malé částice nad prahovou hodnotu, takže jsou dostatečně velké, aby udržely své vlastní.
Vědci se stále snaží pochopit, zda k tomuto procesu došlo v celé sluneční soustavě a zda by to bylo stejné pro vnitřní i vnější planety. (I když to funguje pro plynové obry, pozdější fáze rychlého růstu se neshodují s tím, co víme o formování pozemských planet). Vědci však možná najdou koncem tohoto roku nějaké stopy, když začne Juno mise NASA, která úspěšně dosáhla Jupiteru minulý měsíc, začít shromažďovat informace o složení a jádru planety.
Walsh říká, že zjistit, kolik materiálu leží ve středu plynového obra, pomůže vědcům omezit různé modely planetární narůstání. Pokud má Jupiter malé jádro, bylo by možné, že klasické narůstání ho dokázalo dostatečně rychle vybudovat; pokud je to velké, mohlo by to znamenat, že místo toho došlo k něčemu podobnému jako oblázek, říká.
Jupiter a jeho měsíce Io, Europa a Ganymede, jak fotografoval mise Juno krátce poté, co kosmická loď vstoupila na oběžnou dráhu kolem plynového obra. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Pochopení toho, jak se Jupiter vytvořil, pomůže vědcům pochopit původ dalších planet, včetně Země. Je to proto, že Jupiter byl obviněn ze splynutí se stavbou vnitřních skalních planet, přinejmenším podle nové myšlenky vyvinuté Walshem a dalšími, které v posledních letech získaly trakci.
Hypotéza, známá jako model Grand Tack, naznačuje, že jak Jupiter dokončil tváření, vyklidil by veškerý materiál na své cestě kolem Slunce, čímž by účinně vyřezal mezeru v protoplanetárním disku. Disk však stále obsahoval dostatek plynu a prachu, který se při zploštění a roztažení disku přitiskl směrem ke slunci, říká Walsh.
Jupiterova mezera účinně blokovala tok tohoto materiálu a planeta se „zachytila v povodňových vodách“, říká Walsh. Přistěhoval se na oběžnou dráhu Marsu se Saturnem těsně na patách. Ale jak Saturn následoval, sledoval dost materiálu, aby znovu připojil disk. Toto uvolnilo tlak tlačit na Jupitera, umožňující oběma planetám opět migrovat zpět, vše v prostoru několika set tisíc let. Model byl inspirován pozorováním neobvykle uspořádaných planet v jiných solárních systémech, které naznačují, že takové migrace jsou běžné, říká Walsh.
Pro zbytek sluneční soustavy by to bylo něco jako pár býků v obchodě s kosmickým porcelánem. Kousky trosek z vnitřní sluneční soustavy by se vyhodily, zatímco by se zatáhly nepořádky z vnější soustavy, říká Walsh. Tento model pomáhá vysvětlit Marsovy rozměry runtové velikosti a počet a rozmanitost těl, která se dnes nacházejí v asteroidním pásu.
Poskytuje také možné vysvětlení toho, jak pozemské planety dostaly vodu. Podle Grand Tacka by migrace planet plynu probíhala, zatímco by se stále formovaly pozemské planety, a mohla by hodit materiál bohatý na vodu z vnější sluneční soustavy do směsi. Walsh a mnoho dalších vědců si myslí, že uhlíkaté asteroidy, které se možná vytvořily za Jupiterem, byly hlavními prostředky pro dodávku vody na Zemi.
Letos v září zahájí NASA misi na návštěvu jednoho takového asteroidu jménem Bennu. Walsh je spoluřešitelem projektu, nazvaného OSIRIS-REx, který bude studovat tělo z dálky, než ho popadne vzorek, aby se vrátil na Zemi. Podobná mise japonské kosmické agentury, nazvaná Hayabusa 2, je na dobré cestě v roce 2018 vyzkoušet další uhlíkatý asteroid.
Vědci doufají, že se dozví více o tom, odkud tyto asteroidy pocházejí, a zda jsou skutečně zdrojem třídy meteoritů známých jako uhlíkaté chondrity. Také doufají, že studium nedotčeného vzorku - spíše než fragmentu meteoritu - pomůže odhalit, zda tyto objekty dodávaly nejen Zemi na Zemi, ale organické sloučeniny, které mohly sloužit jako předchůdce života.
Když se OSIRIS-REx vrací na Zemi, mohla by překročit cesty s Lucy, další navrhovanou misí, která je stejně jako Psyche finalistou v programu Discovery. Lucy, vedená Levisonem, si klade za cíl prozkoumat poslední velké otřesy, které otřásly naší sluneční soustavou - planetární tango, které začalo asi 500 milionů let po Grand Tacku. Tehdy, podle hypotézy Levisona a dalších, spustil Pluto nestabilitu, která způsobila, že Neptun skočil do pekla mimo Uran a vnější plynové giganty migrovaly ze slunce do svých současných pozic.
Tato porucha, známá jako model z Nice, by poslala do vnitřního solárního systému deště trosek, které by možná vysvětlovalo shluk dopadů vzniklých během období známého jako pozdní těžké bombardování. Zemské planety, jako Země, se většinou tvořily tímto bodem, takže událost významně neovlivnila jejich složení. Ale mohlo to vrhnout curveball na vědce, kteří se snažili pochopit, jak se sluneční soustava vyvinula. Toto narušení by mohlo mít vhozené předměty do vnitřní sluneční soustavy, které neměly souvislost s materiály, které tvoří většinu pozemských planet, říká Walsh.
Lucy mohla vědcům pomoci zjistit, co se skutečně stalo, a dovolit jim rozeznat, co se tam smíchalo. Dosáhlo by to zkoumáním skupiny asteroidů zavřených na oběžné dráze Jupitera. Tyto objekty, známé jako Jovianské trojské koně, jsou směsicí těl, která se tvořila v celé sluneční soustavě a během migrace se svrhla.
V polovině roku 2020, kdy by je mise dosáhla, budou trojské koně orientovány ve správné konfiguraci, aby mohla kosmická loď absolvovat velkou prohlídku šesti těl. "Uctíval jsem bohy nebeské mechaniky po celou svou kariéru, " říká Levison, planetární dynamik. "Rozhodli se mi zaplatit zpět, protože planety se doslova vyrovnávají."
Levison říká, že studium trójských koní zblízka poskytne vědcům jasnější představu o tom, jak došlo k míchání modelu Nice, a může také poskytnout test oblázkové akrece. Hypotéza předpovídá, že všechno menší než 60 mil by mělo být ve skutečnosti fragmentem většího těla. Je to předpověď, kterou by Lucy měla být schopna otestovat.
Umělecký dojem na povrch Venuše, kde jsou teploty skličující 870 stupňů Fahrenheita. (ESA / AOES Medialab) Společně se zdá, že tyto mise jsou připraveny k dalšímu pochopení vědců o původu Země, pravděpodobně způsobem, který si vědci ještě nedokážou představit. Koneckonců, vytvoření robustního obrazu planetární formace vyžaduje kombinování dat z mnoha různých zdrojů, říká David Stevenson, planetární vědec v Caltechu.
Stále však máme před sebou dlouhou cestu, než pochopíme, proč se Země a Venuše tak liší. "Je téměř trapné, že jsme tady, sedíme na Zemi, a máme tu velkou planetu, o které jsme tak nevědomí, " říká Stevenson. "Důvod, proč jsme tak nevědomí, je to zatraceně horké!"
Opravdu, pekelné podmínky na povrchu Venuše stmívaly úsilí podrobně studovat planetu. Rusku se podařilo přistát na povrchu sérii kosmických lodí v 60. a 80. letech. Přežili jen několik hodin a před odesláním do tepla vedli krátké záblesky dat. Ale tyto a další mise, jako Pioneer NASA a Magellan, které z dálky studovaly planetu, poskytly pohled do fungování planety.
Víme například, že Venuše má intenzivní skleníkovou atmosféru vyrobenou téměř výhradně z oxidu uhličitého a zdá se, že ztratila většinu své povrchové vody. To může zabránit tomu, aby v nich došlo k tektonice desek - voda má za následek mazání kol tlumících desek. Může také vysvětlit, proč Venuše postrádá geomagnetické pole, které mnozí vědci považují za nezbytné pro život, protože chrání planetu před pustošením slunečního větru. Geomagnetická pole jsou vytvářena konvekcí v jádru těla, říká Nimmo, a spoléhají na cirkulaci pláště - často vázanou na deskovou tektoniku - k přenosu tepla pryč.
Vědci chtějí víc než cokoli, jsou vzorky povrchových hornin Venuše, ale to zůstává vzdáleným cílem. V dohledné budoucnosti se budou muset vědci spokojit se vzdálenějšími pozorováními, jako jsou pozorování ze současné japonské mise. Začátkem tohoto roku kosmická loď Akatsuki konečně začala předávat data ze své oběžné dráhy kolem Venuše po neplánované pětileté odbočce kolem Slunce.
Kromě toho NASA zvažuje další dvě své vlastní mise zaměřené na Venuši, které jsou také finalisty Discovery. Jeden projekt, nazvaný VERITAS, je veden Smrekarem a měl by zahrnovat orbiter schopný studovat geologii planety ve vysokém rozlišení. Druhá navrhovaná mise vedená Lori Glaze z Goddardova vesmírného letového centra by analyzovala jedinečnou atmosféru Venuše pomocí sondy zvané DAVINCI.
Naděje je, že toto úsilí odhalí, proč se Venuše vyvinula tak, jak to udělala, a tím, co odlišuje Zemi. V současné době si mnoho vědců myslí, že Země a Venuše se pravděpodobně vytvořily z přibližně stejného materiálu, který se díky několika faktorům časem rozcházel. Patří mezi ně jejich různá blízkost ke slunci a skutečnost, že Země zažila velkou srážku relativně pozdě ve své historii - dopad, který vytvořil Měsíc - který by roztavil velkou část planety a potenciálně změnil její dynamiku.
Ale dokud nebudeme vědět více o tom, jak se formovaly planety v naší sluneční soustavě a jaké procesy formovaly jejich vývoj, nebudeme vědět, co odlišuje pohostinnou planetu od neplodné planety, říká Walsh. "Ve vesmíru máme dalekohledy, které loví planety velikosti Země kolem jiných hvězd, ale nemáme ponětí, jestli se planeta vyvine na Venuši nebo na Zemi, " říká. "A to je celá míčová hra, na nějaké úrovni."
