Světy podobné Zemi se mohly zformovat o miliardy let dříve, než si vědci mysleli

Kamenné planety mohly vzniknout mnohem dříve, než kdokoliv očekával; téměř hned poté, co první hvězdy daly vesmíru ingredience k jejich vzniku. Nové počítačové simulace naznačují, že planetesimály, pevné předchůdkyně planet, jako je Země, se mohly zformovat již asi 100 milionů let po Velkém třesku. V té době byl vesmír starý méně než 1 procento svého současného věku a první generace hvězd teprve začínaly transformovat chemické složení kosmu.

Toto zjištění posouvá možné začátky formování kamenných planet o miliardy let dříve, než se tradičně očekávalo, a otevírá tak možnost, že potenciálně obyvatelné prostředí se mohlo objevit i mnohem dříve, než vědci dosud předpokládali.

Velký třesk vytvořil kosmos složený převážně z vodíku a hélia a jen s malým množstvím několika dalších lehkých prvků. Uhlík, kyslík, železo, křemík a další složky potřebné k vytvoření kamenných planet musely být vyrobeny později uvnitř hvězd.

Některé z nejstarších hvězd, známé jako hvězdy Populace III, jsou považovány za extrémně hmotné. Když určité hvězdy Populace III dosáhly konce svého života, explodovaly a rozptýlily nově vytvořené prvky do okolního prostoru, čímž změnily jinak nedotčená oblaka plynu na materiál, ze kterého se nakonec mohly vytvořit chemicky složitější hvězdy a planety.

Supernovy osázely raný vesmír
Jedna obzvláště extrémní exploze mohla tento proces dramaticky urychlit. Předpokládá se, že u některých mimořádně hmotných hvězd dochází k supernovám s párovou nestabilitou. Spíše než aby po sobě zanechala konvenční hvězdný zbytek, může taková exploze hvězdu zcela narušit a uvolnit obrovské množství nově vytvořených prvků.

Modely naznačují, že některé supernovy s párovou nestabilitou typu Populace III by mohly vyvrhnout těžké prvky o hmotnosti více než 100krát větší než je hmotnost Slunce. Tyto prvky se mohou mísit s blízkým plynem a zvyšovat jeho metalicitu, což je astronomický termín pro množství prvků těžších než vodík a hélium, na úrovně dostatečně vysoké pro vznik pevných zrn a nakonec planetárního materiálu.

Simulace formování planet 100 milionů let po Velkém třesku
Výzkumníci pod vedením vědců, včetně Daniela Whalena z University of Portsmouth, modelovali, co by se mohlo stát dál.

„Náš nový článek, ve kterém můj doktorand Chris Jessop provedl první část simulačního řetězce, ukazuje, že prekurzory terestrických planet se mohou formovat kolem nízkohmotných, dlouhověkých hvězd v troskách prvních kosmických explozí 100 milionů let po Velkém třesku. Abychom to uvedli do perspektivy, vesmír je starý asi 13,8 miliardy let, takže se jedná o pozoruhodně raný úsek kosmické historie,“ řekl Whalen.

Simulace sledovaly obohacený plyn, jak se vlivem gravitace zhroutil a zrodil poměrně malou hvězdu obklopenou rotujícím protoplanetárním diskem. Jedná se v podstatě o stejný typ struktury, ze které se planety formovaly kolem mladého Slunce.

Tento systém by však existoval už za kosmického úsvitu.

Dostatek materiálu pro stavbu kamenných světů
V modelu výzkumníků měla vznikající hvězda zhruba 70 procent hmotnosti Slunce. Kolem ní se v disku nahromadil prach a další pevný materiál, který začal vytvářet planetesimály. Tyto objekty jsou důležitým mezikrokem při formování planet. Prachová zrna se nejprve srazí a slepí, čímž nakonec vytvoří postupně větší tělesa. Jakmile se planetesimály vytvoří, pokračující srážky a gravitační interakce mohou vytvářet planetární embrya a potenciálně i planety plné velikosti.

Simulace vytvořily několik planetesimál o hmotnosti Země, zhruba 0,5 až 1 astronomickou jednotku od hvězdy. Jedna astronomická jednotka, neboli AU, je průměrná vzdálenost mezi Zemí a Sluncem, asi 150 milionů kilometrů.

Whalen dodává: „V našich počítačových simulacích raného vesmíru jsme našli jeden takový disk kolem mladé hvězdy o hmotnosti asi 70 procent hmotnosti Slunce. Uvnitř tohoto disku se nahromadilo dostatek pevného materiálu k vytvoření planetárních stavebních bloků o hmotnosti několika hmotností Země, zhruba ve stejné vzdálenosti od hvězdy, jako je tomu v případě Země od Slunce.“

Planetesimály jsou pouze výchozím materiálem, ze kterého mohou vyrůst kamenné planety, a mnoho věcí může tento proces narušit. Nicméně skutečnost, že se v tak rané fázi kosmické historie objevily planety o hmotnosti několika Zemí, ukazuje, že nedostatek planetárních surovin nemusel zpozdit formování kamenných planet o tak dlouho, jak se dříve předpokládalo.

Voda se objevuje ve starověkém disku, kde se formovaly planety
Dalším pozoruhodným rysem simulovaného disku byl jeho obsah vody. Dřívější práce Whalena a kolegů zjistila, že voda se mohla tvořit v hustých oblacích obohacených primordiálními supernovami pouze 100 až 200 milionů let po Velkém třesku. Některé z těchto oblaků dosáhly koncentrace vody jen několikrát nižší, než je koncentrace spojená se Sluneční soustavou.

Jak mohly rané planety přijímat vodu
Nové simulace tento scénář přenášejí do fáze formování planet. „Překvapivější je, že disk také obsahoval značné množství vody, jen několikrát méně, než kolik bylo k dispozici v době vzniku naší vlastní Sluneční soustavy. To znamená, že jakékoliv planety, které se tam formovaly, mohly potenciálně přijímat vodu podobným způsobem jako Země, o které se předpokládá, že velkou část vody získala z materiálu, který zbyl během procesu budování planety,“ řekl Whalen.

Planetisimály modelované výzkumníky se vytvořily uvnitř sněhové linie systému, oblasti, kde jsou teploty obecně příliš vysoké na to, aby přežil vodní led v hojném množství. V důsledku toho by tyto konkrétní planetesimály zpočátku byly relativně suché.

To nutně nevylučuje existenci vodních planet. Výzkumníci naznačují, že vyvíjející se planety by později mohly přijímat vodu z materiálu pocházejícího dále od hvězdy, což je něco podobného scénářům navrhovaným pro dodávku vody na ranou Zemi.

Starověké planetární systémy by mohly přežít dodnes
Důsledky jsou obzvláště zajímavé, protože hvězda v simulaci je hvězda s nízkou hmotností, nikoliv jeden z krátkodobých obrů, kteří produkovali původní prvky.

Hvězdy s nízkou hmotností mohou přežít extrémně dlouhou dobu. Výzkumníci poznamenávají, že hvězda s přibližně 40 procenty hmotnosti Slunce, která vznikla během této rané éry, by mohla dodnes zářit. To zvyšuje možnost, že zbytky nejranější éry formování planet ve vesmíru by v principu mohly v Mléčné dráze stále existovat a možná by mohly být identifikovány budoucím hledáním velmi starých hvězd chudých na kovy.

Výpočty dokonce naznačují, že příznivé okolnosti mohly umožnit vznik podobných protoplanetárních disků bohatých na vodu již zhruba 50 až 100 milionů let po Velkém třesku.

Kamenné světy mohly vzniknout miliardy let před Zemí
Taková možnost dramaticky mění kosmickou časovou osu dostupnou pro planetární evoluci. Země se zformovala asi před 4,5 miliardami let, více než 9 miliard let po Velkém třesku. Skalnatý svět zrozený během kosmického úsvitu by tedy Zemi předcházel o mnoho miliard let.

Zda se takové planety skutečně zformovaly, přežily nebo si někdy vytvořily obyvatelné podmínky, zůstává neznámé. Studie je založena spíše na numerických simulacích než na pozorování starověkých planetárních systémů, kdy raný vesmír byl velmi odlišným a často násilným prostředím.

Práce místo toho ukazuje něco zásadnějšího: fyzikální ingredience a procesy potřebné k zahájení sestavování kamenných planet se mohly objevit překvapivě brzy poté, co první hvězdy začaly vyrábět těžké prvky.

„Naše zjištění naznačují, že podmínky pro vznik planet mohly existovat mnohem dříve, než se dosud myslelo. Pokud je to tak, vyvolává to zajímavou otázku: mohly by se potenciálně obyvatelné světy objevit i mnohem dříve v historii vesmíru?“ řekl Whalen.

Zdroj: https://scitechdaily.com/earth-like-worlds-could-have-formed-billions-of-years-earlier-than-scientists-thought/

autor: František Martinek