Student World

Tento text je úryvkem z knihy: Mayor, Michel a Frei, Pierre-Yves: Nové světy ve vesmíru – objevování exoplanet

Než byly objeveny hmotné disky kolem některých hvězd a také exoplanet, sluneční soustava byla jediným místem, kde je bylo možné pozorovat a pochopit, jak se může zformovat nějaká hvězda a její planetární doprovod. Právě sluneční soustava inspirovala převládající teorie formování planet. Ale začněme od Adama.

Příběh začíná obrovským zábleskem a extrémně vysokou teplotou, velkým třeskem, který dává vzniknout nejenom prostoru a času, ale i hmotě. V této hmotě, která v počátku opanovala prostoročas, převažovaly dva základní prvky, ty nejlehčí, jaké najdeme ve vesmíru: vodík (proton a elektron) a helium (dva protony a dva neutrony). Tyto dva plyny se brzy rozprostřely v prostoru do obrovských nehomogenních mračen. Nacházejí se tam zhuštěniny svědčící o tom, že se plyn koncentruje více tam než onde. Postupem času za přispění gravitace, jež přitahuje tělesa k sobě navzájem, látka v mračnech agreguje, ostrůvky se zhušťují a nakonec se samy hroutí do sebe. V jejich středu tlak a teplota rostou nade všechny meze, takže vyvolají. nukleární fúzi vodíkových mračen a zažehne se první generace hvězd. Ta vyplní vesmír svým světlem. Stávají se kosmickými hutěmi vyrábějícími ve svých pekelných pecích těžké prvky, jimž astronomové trochu nepřesně říkají „kovy“ a jež v jejich slangu symbolizují vše, co je těžší než prvopočáteční plyny, vodík a helium.
Tyto kovy neexistovaly před zrodem prvních hvězd. Jsou produktem těchto hvězd a jejich potomků, jejich nukleárních reakcí, jež zachvátily jádra, a pak je rozprášily do prostoru na konci života. Tak byl vesmír obdařen těžkými prvky, jako je železo, uhlík, hořčík, křemík, a ovšem i kyslíkem. Rozpuštěné v kosmu se tyto prvky míchaly s heliovými a vodíkovými mračny a účastnily se vzniku nových hvězd, více metalických než jejich předchůdkyně.
přesné indicie z meteoritů, z nichž některé se zachovaly z protoplanetární epochy – se jedno z takových mračen gravitační silou zhroutilo samo na sebe. Z této beztvaré zhuštěniny, obsahující 98 % vodíku a helia a 2 % těžších prvků, se zrodila sluneční soustava. Naše Slunce použilo většinu látky pro svou potřebu. a zbytek, nepatrné procento, se zformovalo do obrovského rotujícího disku hmoty kolem.
Ještě než dospěje, než se stane členem hlavní posloupnosti hvězd (hvězdného klubu, jenž získává energii vodíkovou fúzí), prochází těleso, jako je naše Slunce, obzvláště zářivou fází. Ta přispívá k ohřívání zmíněné hmoty, jež je obklopuje, a během ní se tělo hvězdy rozepne na víc jak 100 astronomických jednotek, to znamená na 15 miliard kilometrů. Blízko hvězdy, tam, kde panuje teplota několik stovek °C, se udrží jen odolné, ohnivzdorné sloučeniny v pevném stavu, zejména křemičitany a oxidy kovů tvořící surovinu pro stavbu malých, vnitřních, terestrických planet, jako je Země, Mars, Venuše a ještě Merkur.
Dále od Slunce a jeho výhně, v oblastech, kde dnes kraluje Jupiter, neboli ve vzdálenostech 4 až 5 astronomických jednotek (750 milionů kilometrů), klesá teplota až na –170 °C. Nízká teplota umožní ostatním prvkům přejít z plynného stavu do stavu pevné látky za vzniku miniaturních zrnek. Je to království ledu, ledu čpavku, oxidu uhličitého, vody a nebo metanu. Metan se aké účastní tvorby jader planet zvaných plynní obři.

Kovy, křemičitany, led, všechen tento svět plynu a drobných pevných zrn, pečlivě organizovaný a rozvrstvený ve zmíněném velkém rotujícím hmotném disku, je připraven dokonat své hlavní dílo, stavbu planet. Avšak ten nejobtížnější krok jej teprve čeká. V této chvíli je tvořen jen velmi drobnými zrnky, jen několik mikrometrů v průměru, ani o píďku více, kroužícími v blízkosti hvězdy či na jejím vzdáleném okraji. Je třeba, aby tito kosmičtí pulci ztloustli do velikosti býka, ale jak se prach promění v planetu, je další téma. Téma o to zajímavější, že se stalo střetem dvou teorií.
První z teorií se dovolává nestabilit hmotného disku otáčejícího se kolem hvězdy. Inspiruje se stejnými mechanismy, jež se účastní stavby nové hvězdy. Mechanismus gravitační hroucení funguje, podobně jako v mezihvězdném mračnu, i v prachoplynném disku kolem primární hvězdy. V důsledku vlastní gravitace se oblasti s vyšší hustotou shluknou do zhuštěnin pevných částic. Proces trvá tak dlouho, dokud tyto aglomeráty nedosáhnou planetárních velikostí. Planetární gravitační hroucení – zde jsou teoretici dosud velmi přesní – je možné pouze tehdy, udržuje-li hmotný disk relativně nízkou teplotu. Jakmile by se příliš zahřál, tlak, síla rozpínání, veličiny charakteristické pro plyn, by gravitační proces zbrzdily a zabránily by vzniku zhuštěnin.
Zrodil se takto i Jupiter? Pravděpodobně ne. Pokud snad ano, chemickým složením by se musel podobat Slunci. Řada studií však ukázala, že tento plynný obr je bohatší na metalické prvky. Nic to nemění na faktu, že by se nemohl v jiném planetárním systému nějaký jiný Jupiter vytvořit gravitačním hroucením. K vysvětlení vzniku planet v naší sluneční soustavě je tedy třeba jiný mechanismus.
Druhá teorie, dnes převládající v astrofyzice, tkví historicky svými kořeny v díle ruského teoretika Viktora Safronova. K jejímu rozvíjení přispěli teoretici George Wetherhill, Sturt Weidenshilling, Jack Lissauer a další. Jejich scénář vynáší na světlo fenomén akrece. Začíná podobně disky z plynu a mikroskopického prachu rotující kolem hvězd. Všechna drobotina rotuje ve stejném smyslu, ale ne nutně stejnou rychlostí ani ne za sebou. Jejich trajektorie se křižují a vznikají částečky. Zrna nabývají na velikosti a brzy se z nich stávají malé kaménky. Ty se nadále vzájemně střetávají a někdy i jako oběti příliš vysokých rychlostí navzájem tříští. Nakonec však konstruktivní srážky v převáží a vznikají planetesimály o velikosti několika metrů až kilometrů. Jsou poslední etapou před zrodem samotných planet. Nejdříve jsou samý výrůstek, ale s postupně narůstající hmotností se zaoblují a zakulacují.
Taková metoda skládání je charakteristická pro všechny planety na počátku jejich vývoje, ale ne pokaždé se týká stejného materiálu. Planety bližší Slunci, jak jsme viděli, jsou především tvořeny kovy a křemičitany. Jsou charakteristické svými malými hmotnostmi, zčásti v důsledku svých krátkých oběžných drah, jež jim nedovolují posbírat více hmoty. Zkrátka čím menší je loučka, tím méně je pastvy. Naopak čím dál od Slunce jsou prstence hmoty nejen větší, ale i bohatší o zrnka ledu. Plynní obři, jako je Jupiter, Saturn, Uran nebo Neptun, z toho patřičně těží. Svou planetární kariéru začínají coby maličké útvary kolizemi se zrnky, a jak stárnou, stávají se z nich mohutné koule špinavého ledu. V několika statisících let dosáhnou hmotnosti 7 až 8 Zemí,a volná hmota začne být vzácnější a jejich růst se zpomalí. Trvá několik milionů let, než dosáhnou kritické hmotnosti 10 až 12 Zemí. V té chvíli nastává nová fáze rychlého růstu. Nabytá hmota totiž vytváří dostatečně silné gravitační pole, jež přitahuje vodíkový a heliový plyn, rozprostírající se v její blízkosti. Během několika následujících tisících let se planety, vzhledem k množství použitelného plynu, ze špinavého ledu přemění v plynné obry o hmotnosti stovek Zemí. A pak se dotyčné procesy zastaví, neboť už není z čeho brát. Těžkotonážní planety spolykaly vše, co bylo k dispozici, a vytvořily si tak jakési chodbičky v planetárním disku, prázdné prstence, ve kterých se budou od nynějška vyvíjet.
K tomuto modelu formování planet, jež preferuje kolize mezi rostoucími zrny, se přiklonila většina teoretiků. Neznamená to, že by neměl žádné problémové stránky. Neobjasňuje zatím přesný způsob, jakým se zrna slepují. A navíc objev exoplanet přinesl hromadu nových otazníků.
V roce 1995 jsme se, Didier Queloz a já, potýkali s Alanem Bossem, věhlasným teoretikem v oboru formování planet z Carnegieho institutu ve Washingtonu, zda jsme vůbec objevili planetu a zda její způsob nalepení na její hvězdu je únosný. Boss otiskl článek, ve kterém zastává názor, že plynní obři nemají šanci vzniknout ve vzdálenosti menší než 4 až 5 astronomických jednotek od své hvězdy, i kdyby byla málo hmotná a svítivá. Tento jeho závěr ovlivňuje způsob hledání exoplanet. Zdůrazněním, že všichni plynní obři se nacházejí daleko od hvězdy, totiž Boss zvýhodňuje astrometrické metody, nekonečně citlivější pro zmíněný hvězdný systém, oproti metodě radiálních rychlostí, dávající přednost planetám nalepeným na hvězdu.
Proto jej muselo náramně překvapit, podobně jako většinu astronomického světa, když zjistil, že první exoplaneta je plynný obr, navíc přilepený na svou hvězdu a zjištěný spektrografickou metodou radiálních rychlostí. Co tam vlastně tahle planeta dělá, když teorie říká, že tam nemá co dělat? Možná že nejde o těžkopádného plynného obra, tvrdí někteří, ale o terestrického obra z oxidů kovů a křemičitanů, který na tom místě i vznikl. To je však málo pravděpodobné. Jen těžko si lze představit, že na tak krátké dráze bude dostatečné množství látky, aby se tam tedy mohla zrodit sumoplaneta. Ne, musí se hledat jinde…

Tento text je úryvkem z knihy:
Mayor, Michel a Frei, Pierre-Yves: Nové světy ve vesmíru – objevování exoplanet
Paseka, Praha 2007
podrobnosti na stránkách vydavatele

(jedná se o verzi textu ještě před závěrečnou korekturou)

Anotace vydavatele:
Objev exoplanet, planet u jiných hvězd, než je naše Slunce, je jedním z největších úspěchů astronomie na prahu třetího tisíciletí. Jsme ve vesmíru sami? Na tuto otázku, kladenou už déle než dvě tisíciletí, budeme zdá se brzy znát odpověď. Přispívá k tomu fantastické vylepšení spektroskopické techniky v posledních letech. Autoři, přední odborníci v problematice exoplanet, dávají poutavým způsobem nahlédnout do astronomické kuchyně a historie objevování těchto nesmírně přitažlivých vesmírných objektů. Zároveň čtenáře seznamují se širší problematikou, která s otázkou exoplanet souvisí: s historií objevování planet sluneční soustavy, s klasifikací hvězd, se základy spektroskopie. Anglické vydání knihy v nakladatelství Cambridge University Press označil časopis Astronomy za jednu z nejlepších publikací v oboru astronomie v roce 2003.

autor