Marile mistere ale universului se învârt adesea în jurul fenomenelor îndepărtate și invizibile. Oamenii de știință pun la punct explozii inexplicabile de unde radio, natura evazivă a gravitației și dacă energia întunecată pătrunde în cosmos. Dar alte enigme pot fi găsite în propriul nostru colț al galaxiei, privindu-ne chiar pe față - cum a devenit Pământul planeta pe care este astăzi.
Această întrebare continuă să fascineze cercetătorii care lucrează pentru a înțelege modul în care s-a format Pământul și de ce este atât de potrivită pentru a găzdui viața. S-ar fi putut dovedi diferit - trebuie doar să ne uităm la cel mai apropiat vecin și aproape geamăn, Venus, care nu are apă lichidă și a cărui suprafață este un Fahrenheit de 870 de grade. „Venus și Pământ sunt un caz de control suprem”, spune Sue Smrekar de la Laboratorul de Propulsie Jet de la NASA. „Nu înțelegem pe deplin cum Pământul a sfârșit atât de locuitor și Venus atât de nelocuibil.”
Este surprinzător, având în vedere că Pământul este de departe cea mai bine studiată planetă din univers. Însă procesele geologice precum tectonica plăcilor reciclează în mod constant dovezi ale trecutului și o mare parte din informațiile critice despre machiajul Pământului se află ascunse în adâncimile sale vaste, inaccesibile. „Încercați să înțelegeți o planetă pe care o puteți proba doar la suprafață”, spune James Badro, geofizician la Institutul de Fizică a Pământului din Paris. Deși oamenii de știință au obținut o mulțime de cunoștințe din studierea pământului de sub picioarele noastre, întreaga poveste despre construcția și evoluția Pământului rămâne necunoscută.
Deci, cercetătorii au apelat la cer pentru ajutor. Au studiat alte sisteme stelare în căutare de indicii și au căutat blocurile de construcție ale Pământului printre detritusul sistemului solar. Acum, o suită de misiuni spațiale planificate și propuse ar putea ajuta oamenii de știință să completeze mai multe piese care lipsesc.
De la studierea noilor aspecte ale corpurilor protoplanetare până la relaxarea de unde proveneau și modul în care s-au amestecat, cercetătorii speră să definesc procesele de formare planetară care au creat Pământul. Pentru mulți, este la fel de mult o căutare filozofică precum și una științifică. „Este o întrebare despre originile noastre”, spune Badro.
O impresie a artistului despre o misiune propusă în Psyche, un asteroid gândit a fi în întregime metalic. (NASA / JPL-Caltech) Majoritatea cercetătorilor sunt de acord cu istoria generală a sistemului nostru solar. A început acum 4, 6 miliarde de ani, când un mare nor de gaz și praf care plutea în spațiu s-a prăbușit asupra lui, probabil declanșat de valul de șoc al unei supernovee din apropiere. Norul aplatizat s-a rotit apoi într-un disc învârtit din care - aproximativ 100 de milioane de ani mai târziu - sistemul nostru solar a apărut în mai mult sau mai puțin în starea actuală: soarele înconjurat de opt planete și nenumărate corpuri mai mici împrăștiate de-a lungul.
Cu toate acestea, detaliile mai fine despre modul în care s-a format cartierul nostru cosmic rămân controversate. De exemplu, oamenii de știință încă dezbat din ce sunt formate planetele. „Știm cum arată tortul”, spune Lindy Elkins-Tanton, de la Universitatea de Stat din Arizona, „dar am dori să știm cum arată și toate acele ingrediente individuale”, spune ea.
Oamenii de știință consideră că planetele terestre au crescut înfundând planeteimalele mai mici - obiecte de până la zeci de kilometri în diametru care se acumulau din praful protoplanetar. Dar compoziția și structura acestor planetesimali a fost greu de determinat. Studierea colecției noastre de meteoriți - fragmente de asteroizi căzuți pe Pământ - este un loc bun pentru început, spune Francis Nimmo, un om de știință planetar de la Universitatea din California, Santa Cruz. Dar nu este suficient.
Asta pentru că nu avem neapărat mostre din tot ceea ce a intrat în planete - unele componente pot lipsi sau pot să nu mai existe deloc. Unii meteoriți par a fi o potrivire decentă pentru Pământ, dar oamenii de știință nu pot găsi nici o combinație de tipuri de meteorit care să explice pe deplin compoziția chimică a Pământului. "Acest lucru este un lucru inconfortabil, deoarece înseamnă că nu știm cu adevărat cum a fost pus Pământul la un loc", spune Nimmo.
Elkins-Tanton speră că o viitoare misiune propusă - unul dintre cei cinci finaliști pentru programul Discovery al NASA - ar putea fi în măsură să ajute. Proiectul, condus de Elkins-Tanton, ar trimite o navă spațială fără pilot pentru a vizita un obiect numit Psyche, care se află în centura de asteroizi dintre Marte și Jupiter. Psihicul are o lățime de aproximativ 150 de mile și, pe baza observațiilor la distanță ale densității și compoziției sale de suprafață, pare a fi din metal solid. Se poate asemăna și cu blocurile de construcție ale Pământului.
„Acesta ar putea fi nucleul mic al unui corp care a fost format în regiunea formatoare a planetei terestre și tocmai a fost lovit de o mulțime de alte lucruri și a avut exteriorul său stâncos îndepărtat”, spune Elkins-Tanton. În misiunea Dawn a NASA, oamenii de știință au studiat asteroidul Vesta, un protoplanet care s-a format probabil și lângă Pământ și apoi a fost dat afară în centura asteroidului. Cu toate acestea, este ocazia unică de a vedea ce se află sub suprafața unor obiecte precum Vesta, care a încântat Elkins-Tanton.
„Psihicul este singurul corp din sistemul solar care ne permite să observăm direct un miez de metal”, spune ea. „Aceasta ar putea fi singura noastră șansă de a privi acest tip de ingrediente.” Alături de ceilalți finaliști ai Discovery, Elkins-Tanton și colegii săi vor afla în septembrie dacă misiunea va fi finalizată.
Conform modelului clasic al formării planetare, odată ce planetesimalele au ajuns la dimensiunea lui Psyche - zeci până la sute de kilometri pe tot - au început să-și canibalizeze vecinii, spune Kevin Walsh, un om de știință planetar de la Southwest Research Institute din Boulder, Colorado. „Cei mai mari cresc foarte repede”, spune el, datorită influenței lor gravitaționale din ce în ce mai mari.
Acest proces de acumulare scăpată ar fi câștigat numărul de corpuri din sistemul solar până la o sută de embrioni planetari de pe Marte și o distrugere a resturilor mai mici. În timp, acești embrioni s-au combinat lent pentru a forma planete.
Dar, în timp ce această explicație funcționează bine pentru planetele terestre, pe care dovezile geologice sugerează formate pe parcursul a 30 până la 100 de milioane de ani, aceasta prezintă o problemă pentru uriașii gazului ca Jupiter. Oamenii de știință cred că nucleele acestor corpuri trebuiau să crească mult mai repede - suficient de rapid pentru a-și capta atmosfera masivă din gazul prezent în sistemul solar timpuriu, care s-a disipat în doar câteva milioane de ani.
În ultimul deceniu, cercetătorii au dezvoltat un mecanism alternativ pentru creșterea planetelor cunoscute sub denumirea de accretionare cu pietricele. Reprezintă o depărtare accentuată de modelul convențional de acreție, în care obiectele combinate formează particule progresiv mai mari. Sau, după cum spune Hal Levison, colegul lui Walsh: „Pietrele fac bolovani, iar bolovani fac munți - până la capăt.” Acreția de pietriș, pe de altă parte, prevede că obiectele cresc de la bulgări de mărimea pumnului până la corpuri de dimensiuni Pluto. aproape imediat și apoi continuă să câștigi masă, spune Levison, care a ajutat la dezvoltarea ipotezei.
Procesul ar fi început la scurt timp după formarea discului protoplanetar, când bucăți de praf care încercau să orbiteze soarele tânăr au început să se ciocnească și să se lipească, ca și patinatorii sincronizați care se uneau cu mâinile în timp ce înconjurau un patinoar. În cele din urmă, forțele aerodinamice și gravitaționale ar fi adus grupuri mari ale acestor pietricele, formând planeteimale. Planetesimalele au continuat apoi să mătura pietricelele rămase în jurul lor, crescând rapid până când au format planete.
Pe lângă faptul că a abordat problema creșterii atât de rapide a giganților de gaz, modelul oferă, de asemenea, o modalitate de a depăși ceva numit bariera de dimensiuni a contorului, care a plagiat modele de acreție planetară de când a fost conturat pentru prima dată în anii '70. Se referă la faptul că odată ce obiectele ating diametrul de aproximativ trei metri, frecarea generată de gazul înconjurător le-ar fi trimis în spirală la soare. Acreția de pietricele ajută la rănirea particulelor mici peste prag, făcându-le suficient de mari pentru a-și ține propriile.
Oamenii de știință încă încearcă să înțeleagă dacă acest proces s-a întâmplat pe întregul sistem solar și dacă s-ar fi jucat în același mod pentru planetele interioare și exterioare. (Deși funcționează pentru giganții gazoși, etapele ulterioare ale creșterii rapide nu se potrivesc cu ceea ce știm despre formarea planetei terestre). Dar cercetătorii pot găsi câteva indicii mai târziu în acest an, când misiunea NASA Juno, care a ajuns cu succes la Jupiter luna trecută, începe să strângă informații despre compoziția și nucleul planetei.
Walsh spune că a afla cât de mult material se află în centrul gigantului gazelor va ajuta cercetătorii să restricționeze diferite modele de acreție planetară. Dacă Jupiter are un nucleu mic, acreția clasică ar fi fost în măsură să o construiască suficient de repede; dacă este mare, s-ar putea să presupună că a avut loc în schimb ceva ca o accentuare a pietricelelor, spune el.
Jupiter și lunile sale Io, Europa și Ganymede, fotografiate de misiunea Juno, la scurt timp după ce nava spațială a intrat pe orbită în jurul gigantului de gaz. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Înțelegerea modului în care s-a format Jupiter îi va ajuta pe cercetători să înțeleagă originile celorlalte planete, inclusiv Pământul. Asta pentru că Jupiter a fost acuzat că s-a amestecat cu construcția planetelor stâncoase interioare, cel puțin în conformitate cu o idee nouă dezvoltată de Walsh și alții care a obținut tracțiune în ultimii ani.
Ipoteza, cunoscută sub denumirea de modelul Grand Tack, sugerează că, pe măsură ce Jupiter s-a terminat de format, ar fi șters tot materialul din calea sa în jurul soarelui, sculptând efectiv un decalaj în discul protoplanetar. Cu toate acestea, discul conținea încă multă cantitate de gaz și praf, care apăreau spre soare în timp ce discul se aplatiza și se întindea, spune Walsh.
Golul lui Jupiter a blocat efectiv fluxul acestui material, iar planeta a fost „prinsă în apele inundate”, spune Walsh. A migrat spre orbita lui Marte, cu Saturn aproape de călcâie. Dar pe măsură ce Saturn a urmat, a tras suficient material pentru a reconecta discul. Aceasta a eliberat presiunea apăsată asupra lui Jupiter, permițând ambelor planete să migreze din nou înapoi, toate în spațiu de câteva sute de mii de ani. Modelul a fost inspirat de observații ale planetelor ciudat ordonate în alte sisteme solare care sugerează că astfel de migrații sunt comune, spune Walsh.
Pentru restul sistemului solar, acesta ar fi fost ceva ca o pereche de tauri într-un magazin cosmic din China. Walsh spune că bucăți de resturi din sistemul solar interior ar fi fost dat afară în timp ce înghesuirile din sistemul exterior ar fi fost târâte. Modelul ajută la explicarea dimensiunilor runtului lui Marte și a numărului și diversității corpurilor găsite astăzi în centura asteroidului.
De asemenea, oferă o posibilă explicație a modului în care planetele terestre și-au obținut apa. Potrivit Grand Tack, migrația planetei de gaz ar fi avut loc în timp ce planetele terestre se formau în continuare și ar fi putut arunca în amestec materialul bogat în apă din sistemul solar exterior. Walsh și mulți alți oameni de știință cred că asteroizii carbonace, care s-ar fi format dincolo de Jupiter, au fost principalele vehicule pentru livrarea apei pe Pământ.
În septembrie, NASA va lansa o misiune de a vizita un astfel de asteroid pe nume Bennu. Walsh este un co-investigator al proiectului, numit OSIRIS-REx, care va studia corpul de departe, înainte de a apuca un eșantion pentru a-l readuce pe Pământ. O misiune similară a agenției spațiale japoneze, numită Hayabusa 2, este pe cale să probeze un alt asteroid carbonace în 2018.
Oamenii de știință speră să afle mai multe despre de unde provin acești asteroizi și dacă sunt într-adevăr sursa unei clase de meteoriți cunoscuți drept condondii carbonace. Ei speră, de asemenea, că studierea unui eșantion curat - mai degrabă decât a unui fragment de meteorit - va ajuta să dezvăluie dacă aceste obiecte au livrat nu numai apă pe Pământ, ci și compușii organici care ar fi putut servi drept precursori pentru viață.
Pe măsură ce OSIRIS-REx se întoarce pe Pământ, ar putea traversa căi cu Lucy, o altă misiune propusă care, precum Psyche, este finalistă în programul Discovery. Condusă de Levison, Lucy își propune să exploreze ultima mare scuturare care a zguduit sistemul nostru solar - un tango planetar care a început la aproximativ 500 de milioane de ani după Grand Tack. Atunci a fost, potrivit unei ipoteze a lui Levison și alții, Pluton a declanșat o instabilitate care a determinat Neptun să se vindece în afara Uranus și gigantii externi ai gazelor să migreze departe de soare în pozițiile lor actuale.
Această perturbare, cunoscută sub denumirea de modelul Nice, ar fi trimis o ploaie de resturi care s-au prăbușit în sistemul solar interior, explicând posibil un grup de impacturi formate în timpul unei perioade cunoscute sub numele de Bombardarea grea târzie. Planetele terestre, la fel ca Pământul, s-au format mai ales în acest punct, astfel încât evenimentul nu a afectat semnificativ compoziția lor. Însă, probabil, oamenii de știință au încercat să înțeleagă cum a evoluat sistemul solar. Este posibil ca perturbarea să fi aruncat obiecte în sistemul solar interior care să nu aibă nicio legătură cu materialele care compun cea mai mare parte a planetelor terestre, spune Walsh.
Lucy i-ar putea ajuta pe oamenii de știință să-și dea seama ce s-a întâmplat cu adevărat și să le permită să nu descurce ceea ce s-a amestecat unde. Ar realiza acest lucru cercetând un grup de asteroizi blocați pe orbita lui Jupiter. Aceste obiecte, cunoscute sub numele de troienii Jovieni, sunt un amestec de corpuri care s-au format pe întregul sistem solar exterior și apoi s-au aruncat împreună în timpul migrației.
La mijlocul anilor 2020, când misiunea le va atinge, troienii vor fi orientați doar în configurația corectă pentru ca o navă spațială să facă un tur grandios pe șase corpuri. „M-am închinat zeilor mecanicii cerești pentru toată cariera mea”, spune Levison, un dinamism planetar. „Au decis să mă plătească înapoi, deoarece planetele se aliniază literalmente.”
Levison spune că studierea troienilor apropiați va oferi cercetătorilor o idee mai clară despre modul în care a avut loc amestecarea modelului Nisa și ar putea oferi și un test de acreție de pietricele. Ipoteza prezice că orice mai mic de aproximativ 60 de kilometri ar trebui să fie de fapt un fragment dintr-un corp mai mare. Este o predicție pe care Lucy ar trebui să o poată testa.
O impresie a artistului despre suprafața lui Venus, unde temperaturile sunt un Fahrenheit de 870 de grade. (Medialabile ESA / AOES) Împreună, aceste misiuni par să fie înțelese pentru înțelegerea oamenilor de știință despre originile Pământului, probabil în moduri în care cercetătorii nici măcar nu își pot imagina. La urma urmei, construirea unei imagini robuste a formării planetare necesită combinarea datelor din mai multe surse diferite, spune David Stevenson, un om de știință planetar din Caltech.
Cu toate acestea, mai avem un drum lung de parcurs înainte să înțelegem ce face Pământul și Venusul atât de diferite. "Este o jenă, aproape că suntem aici, stând pe Pământ și avem această planetă cea mai apropiată de noi, despre care suntem atât de ignoranți", spune Stevenson. "Motivul pentru care suntem atât de ignoranți este că este al naibii de cald!"
Într-adevăr, condițiile infernale de pe suprafața lui Venus au făcut eforturi de a studia în detaliu planeta. Rusia a reușit să aterizeze o serie de nave spațiale la suprafață între anii ’60 -’80. Au supraviețuit doar câteva ore și au transmis scurte sclipiri de date înainte de a ceda la căldură. Dar aceste și alte misiuni, cum ar fi Pioneer și Magellan, care au studiat planeta de departe, au oferit o privire asupra funcționării planetei.
Știm, de exemplu, că Venus are o atmosferă de seră intensă formată aproape în totalitate din dioxid de carbon și se pare că și-a pierdut cea mai mare parte din apa de suprafață. Aceasta poate fi ceea ce împiedică tectonica plăcilor să apară acolo - se crede că apa unge roțile plăcilor de subducție. Poate explica și de ce Venus îi lipsește un câmp geomagnetic, pe care mulți oameni de știință îl consideră o necesitate pentru viață, deoarece protejează planeta de ravagiile vântului solar. Câmpurile geomagnetice sunt produse prin convecție în miezul unui corp, spune Nimmo, și se bazează pe circulația mantalei - adesea legată de tectonica plăcilor - pentru a transporta căldura departe.
Ceea ce oamenii de știință doresc mai mult decât orice, sunt mostre de roci de suprafață ale lui Venus, dar acesta rămâne un obiectiv îndepărtat. Pentru viitorul previzibil, cercetătorii vor trebui să se mulțumească cu observații mai îndepărtate, precum cele dintr-o misiune actuală japoneză. La începutul acestui an, nava spațială Akatsuki a început în sfârșit să transmită date de pe orbita sa din jurul lui Venus, după o ocolire neplanificată de cinci ani în jurul soarelui.
În plus, NASA are în vedere alte două misiuni proprii centrate pe Venus, care sunt, de asemenea, finaliste ale Discovery. Un proiect, numit VERITAS, este condus de Smrekar și ar implica un orbitor capabil să studieze geologia planetei în înaltă definiție. A doua misiune propusă, condusă de Lori Glaze, de la Goddard Space Flight Center, va analiza atmosfera unică a lui Venus folosind o sondă numită DAVINCI.
Speranța este că aceste eforturi vor dezvălui de ce a evoluat Venus în felul în care a făcut-o și, prin urmare, ce face Pământul diferit. În momentul de față, mulți cercetători cred că Pământul și Venus s-au format probabil din aproximativ același material, apoi s-au divergent în timp, datorită mai multor factori. Acestea includ apropierea lor diferită de soare și faptul că Pământul a cunoscut o coliziune majoră relativ târziu în istoria sa - impactul care a format luna - care ar fi topit o mare parte a planetei și ar putea modifica dinamica acesteia.
Dar până când nu vom afla mai multe despre cum s-au format planetele din sistemul nostru solar și despre ce procese le-au modelat evoluția, nu vom ști ce diferențiază o planetă ospitalieră de una sterilă, spune Walsh. „Avem telescoape în spațiu care vânează planete de dimensiunea Pământului în jurul altor stele, dar nu avem niciun indiciu dacă o planetă va evolua într-o Venus sau pe un Pământ”, spune el. „Și acesta este întregul joc de minge, la un anumit nivel.”
