Jak se zrodila planeta Jupiter?

S rovníkovým průměrem zhruba 143 000 kilometrů je Jupiter největší planetou ve Sluneční soustavě, jeho hmotnost 300× převyšuje hmotnost Země. Mechanismus vzniku obřích planet podobných Jupiteru byl tématem odborných diskusí po několik desetiletí. Nyní astrofyzikové ze Swiss National Centre of Competence in Research (NCCR) PlanetS of the Universities of Bern a Zürich a ETH Zürich spojili své úsilí k vyřešení dosavadní záhady, jak se Jupiter zformoval. Závěry astronomů byly publikovány v časopise Nature Astronomy.

„Můžeme ukázat, že Jupiter zvětšoval svoji velikost v rozdílných, ale zřetelných fázích,“ vysvětluje Julia Venturini, postgraduální studentka na University of Zürich. „Zvláště zajímavé je, že neznáme žádné jiné totožné těleso, které shromáždilo tolik hmoty a energie,“ dodává Yann Alibert ze Science Officer of PlanetS a hlavní autor článku. Nejprve na sebe planetární embryo rychle nabalovalo malá tělíska centimetrových rozměrů a valem vytvářelo jádro budoucí planety v průběhu prvního miliónu roků. Následující dva milióny let převládala pomalá akrece (nabalování) větších těles kilometrových rozměrů, tzv. planetesimál. Ta narážela do zvětšující se planety vysokými rychlostmi, přičemž docházelo k uvolňování tepla.

„V průběhu první etapy oblázky s sebou přinášely především hmotu,“ vysvětluje Yann Alibert. „Ve druhé etapě planetesimály rovněž dodávaly velké množství hmoty, ale co je ještě důležitější, přinášely s sebou energii (teplo).“ Po třech miliónech roků „vyrostl“ Jupiter na těleso zhruba o 50 hmotnostech Země. Následovala třetí etapa jeho vývoje, ve které převládal bouřlivý přítok plynu a zvětšování vedoucí k současné podobě plynného obra s hmotností přesahující 300 hmotností naší planety.

Popis k obrázku:

První etapa (méně než 1 milión roků): Jupiter (znázorněn jako černý kotouč) zvětšoval svoji velikost postupnou akrecí oblázků (malé kotoučky), akrece planetesimál byla zanedbatelná. Velké prvotní planetesimály (velké kotoučky) podnítily zvětšování planety a prodělaly kolize při vysokých rychlostech (velké šipky) vedoucí k destruktivním kolizím (žluté hvězdičky), při nichž se vytvářela sekundární generace malých planetesimál (středně velké kotoučky).

Druhá etapa (1 až 3 milióny roků): Jupiter je dostatečně hmotný k tomu, aby omezil akreci oblázků. Energie spojená s akrecí malých planetesimál je dostatečně velká k omezení rychlé akrece plynu (šedé šipky).

Třetí etapa (po 3 miliónech roků): Jupiter je dostatečně hmotný k akreci velkého množství plynu (vodík, hélium). Blízké oblázky a malé planetesimály mohou být rovněž gravitačně zachyceny. Nakonec mezera (znázorněna bílou barvou okolo planety) vytvořená ve sluneční mlhovině zastavila další akreci plynu. Červené a modré kotoučky označují dva rezervoáry malých těles (uvnitř a vně dráhy Jupitera), které jsou odděleny růstem Jupitera v etapě č. 2 a znovu spojeny v etapě č. 3. Slunce je na obrázku znázorněno vlevo.

Nový model vzniku planety Jupiter odpovídá údajům z meteoritů, které byly prezentovány na konferenci v minulém roce. Zpočátku Julia Venturini a Yann Alibert byli rozpačití, když poslouchali tyto závěry. Určování složení meteoritů ukázalo, že v prvotním období vzniku Sluneční soustavy byla sluneční mlhovina v rozmezí dvou miliónů roků rozdělená na dvě oblasti. To mohlo být proto, že Jupiter působil jako jakási hranice, když jeho hmotnost dosáhla 20 až 50 hmotností Země. Během této periody vznikající planeta narušovala prachový disk vytvářením oblastí zvýšené hustoty, které zachycovaly oblázky z oblasti vnější strany její dráhy. Proto se materiál z vnějších oblastí nemohl smíchat s materiálem ve vnitřních oblastech do té doby, než planeta dosáhla dostatečné hmotnosti, aby byla schopna rozptýlit kamenná tělesa do vnitřní oblasti.

„Jak mohl Jupiter za dva milióny roků vyrůst z 20 na 50 hmotností Země?“ ptá se Julia Venturini. „Zdá se to být příliš dlouhá doba,“ vysvětluje. „To byla zásadní otázka, která motivovala náš výzkum.“ Diskuse prostřednictvím elektronické pošty začala mezi vědci z NCCR PlanetS Universities of Bern a Zürich a ETH Zürich a v následujícím týdnu odborníci z oblasti astrofyziky, kosmochemie a hydrodynamiky uspořádali setkání v Bernu. „Během několika hodin jsme věděli, co musíme vypočítat v rámci našeho výzkumu,“ říká Yann Alibert: „To byla jediná možnost, která propojila vědce z různorodých oblastí výzkumu.“

Vysvětlení opožděného růstu

Na základě výpočtů vědci ukázali, že období mladé planety strávené v rozmezí hmotnosti 15 až 50 hmotností Země bylo skutečně mnohem delší, než se dosud předpokládalo. V průběhu tohoto období formování probíhající kolize s tělesy kilometrových rozměrů poskytovaly dostatečnou energii k zahřátí plynné atmosféry mladého Jupitera a bránily tak rychlému ochlazování, což také vedlo ke zmenšení akrece plynu. „Oblázky byly důležité v první fázi rychlého růstu jádra, avšak teplo poskytované planetesimály bylo rozhodující k pozdržení akrece plynu, takže to odpovídá časovému měřítku, které vyplývá z výzkumu meteoritů,“ shrnují astrofyzikové. Vědci jsou přesvědčeni, že jejich závěry poskytnou rovněž klíčové prvky k vyřešení dlouhodobého problému vzniku Uranu a Neptunu, a také případných exoplanet.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-reveal-jupiter-grew-in-different-distinct-phases/ a https://phys.org/news/2018-08-jupiter-growth-disorders.html

autor: František Martinek