Velike skrivnosti vesolja se pogosto vrtijo okoli oddaljenih, nevidnih pojavov. Znanstveniki se ugankajo nad nerazložljivimi eksplozijami radijskih valov, neugibano naravo gravitacije in ali temna energija preplavi vesolje. Toda druge enigme lahko najdemo v našem kotičku galaksije in nam strmijo naravnost v oči - kot to, kako je Zemlja postala planet, kakršen je danes.
To vprašanje še naprej fascinira raziskovalce, ki razumejo, kako se je oblikovala Zemlja in zakaj je tako primerna za gostovanje življenja. Lahko bi se izkazalo drugače - samo poglejte najbližjo sosedo in skoraj dvojčico, Venero, ki nima tekoče vode in katere površina je nabreklih 870 stopinj Fahrenheita. "Venera in Zemlja sta nekakšen končni primer nadzora, " pravi Sue Smrekar iz Nasinega laboratorija za reaktivni pogon. "Ne razumemo popolnoma, kako je Zemlja končno postala tako bivalna, Venera pa tako neprimerna."
To je nekoliko presenetljivo, glede na to, da je Zemlja daleč najbolje raziskani planet v vesolju. Toda geološki procesi, kot je tektonika plošč, nenehno reciklirajo dokaze o preteklosti in veliko kritičnih informacij o sestavi Zemlje se skriva v njenih velikih, nedostopnih globinah. "Poskušate razumeti planet, ki ga lahko vzorčite samo na površini, " pravi James Badro, geofizik z Inštituta za fiziko Zemlje v Parizu. Čeprav so znanstveniki iz proučevanja tal pod nogami pobrali veliko znanja, celotna zgodba o gradnji in razvoju Zemlje ostaja neznana.
Tako so se raziskovalci obrnili na nebo po pomoč. Preučevali so druge zvezdne sisteme, ki iščejo namige, in med detrito sončnega sistema iskali zemeljske gradnike. Zdaj bi zbirka načrtovanih in predlaganih vesoljskih misij lahko znanstvenikom pomagala izpolniti več manjkajočih kosov.
Od preučevanja novih vidikov protoplanetarnih teles do iztekanja, od kod so prišli in kako so se pomešali, raziskovalci upajo, da bodo zaznali procese planetarne tvorbe, ki so ustvarili Zemljo. Za mnoge je to enako filozofsko iskanje kot znanstveno. "To je vprašanje našega izvora, " pravi Badro.
Umetnikov vtis o predlagani misiji Psyche, asteroidu, ki naj bi bil v celoti kovinski. (NASA / JPL-Caltech) Zdaj se večina raziskovalcev strinja s splošno zgodovino našega osončja. Začelo se je pred 4, 6 milijarde let, ko se je ogromen oblak plina in prahu, ki plava v vesolju, zrušil vase, morda sprožil udarni val bližnje supernove. Ploščen oblak se je nato zasukal v predilnem disku, iz katerega je - približno 100 milijonov let kasneje - nastalo naše osončje v bolj ali manj trenutnem stanju: sonce obkroženo z osmimi planeti in nešteto manjšimi telesi, raztresenimi po vsem.
Vendar pa ostajajo sporne podrobnosti, kako se je oblikovala naša kozmična soseska. Na primer, znanstveniki še vedno razpravljajo o tem, iz katerih planetov so narejeni. "Vemo, kako izgleda torta, " pravi Lindy Elkins-Tanton z Arizonske državne univerze, "vendar bi radi vedeli, kako izgledajo vse te posamezne sestavine, " pravi.
Znanstveniki menijo, da so zemeljski planeti rasli tako, da so pokradeli manjše planete živali - predmete do premera deset deset kilometrov, ki so se nabrali iz protoplanetarnega prahu. Toda sestavo in strukturo teh postelj je težko določiti. Preučevanje naše zbirke meteoritov - drobcev asteroidov, ki so padli na Zemljo - je dobro mesto za začetek, pravi Francis Nimmo, planetarni znanstvenik na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu. Ampak to ni dovolj.
Zato ni nujno, da imamo vzorce vsega, kar je šlo na planete - nekatere komponente morda manjkajo ali pa sploh ne obstajajo več. Nekateri meteoriti se zdijo za Zemljo spodobno ujemanje, vendar znanstveniki ne morejo najti nobene kombinacije vrst meteoritov, ki bi v celoti pojasnila Zemljino kemijsko sestavo. "To je nekako neprijetno, saj pomeni, da v resnici ne vemo, kako je bila Zemlja sestavljena, " pravi Nimmo.
Elkins-Tanton upa, da bi mu lahko pomagala predlagana prihodnja misija - eden od petih finalistov Nasinega programa Discovery -. Projekt, ki ga vodi Elkins-Tanton, bi brezpilotno vesoljsko plovilo poslal k obisku objekta z imenom Psyche, ki sedi v pasu asteroidov med Marsom in Jupiterjem. Psyche je širok približno 150 milj in na podlagi oddaljenih opazovanj njegove gostote in sestave površine je videti iz trdne kovine. Lahko spominja tudi na zemeljske gradnike.
"To bi lahko bilo majhno jedro telesa, ki je nastalo v zemeljskem območju, ki tvori planet, in ga je prizadelo še veliko drugih stvari in mu odvzela skalnata zunanjost, " pravi Elkins-Tanton. Med NASA-ino misijo Dawn so znanstveniki preučevali asteroid Vesta, protoplanet, ki se je verjetno oblikoval tudi blizu Zemlje in ga nato vrgli v asteroidni pas. Vendar pa je edinstvena priložnost, da vidite, kaj se skriva pod površino predmetov, kot je Vesta, ki je navdušil Elkins-Tanton.
"Psiha je edino telo v osončju, ki nam omogoča neposredno opazovanje kovinskega jedra, " pravi. "To bi bila naša edina možnost, da pogledamo tovrstno sestavino." Elkins-Tanton in njeni sodelavci bodo septembra skupaj z ostalimi finalisti Discoveryja ugotovili, ali gre za misijo.
Po klasičnem modelu planetarne tvorbe, ko so planetesimalci dosegli velikost Psyche - od deset do sto kilometrov -, so začeli kanibalizirati svoje sosede, pravi Kevin Walsh, planetarni znanstvenik iz jugozahodnega raziskovalnega inštituta v Boulderju v Koloradu. "Največji rastejo zelo hitro, " pravi, zahvaljujoč vse večjemu gravitacijskemu vplivu.
Ta postopek begajočega kopičenja bi število teles v osončju prejel na približno sto lune do planeta Marsov, ki so bili zarodki, in nekaj manjših naplavin. Sčasoma so se ti zarodki počasi kombinirali, da so tvorili planete.
A čeprav ta razlaga deluje dobro za zemeljske planete, za katere geološki dokazi kažejo, da so nastali v 30 do 100 milijonov letih, predstavlja plinske velikane, kot je Jupiter. Znanstveniki menijo, da bi moralo jedro teh teles rasti veliko hitreje - dovolj hitro, da je zajelo njihovo ogromno atmosfero iz plina, ki je bil prisoten v zgodnjem osončju, ki je razpadel v samo nekaj milijonih let.
V zadnjem desetletju so raziskovalci razvili alternativni mehanizem za gojenje planetov, znan kot prodnata prod. Predstavlja močan odmik od običajnega modela priraščanja, v katerem se predmeti kombinirajo in tvorijo postopoma večje delce. Ali kot pravi Hal Levison, Walshov kolega: "Prodniki ustvarjajo balvane, balvani pa gorovja - vse do konca." Prodnata kamenčica na drugi strani napoveduje, da predmeti rastejo od grud v pest do telesu velikosti Plutona skoraj takoj, nato pa še naprej pridobiva na masi, pravi Levison, ki je pomagal razviti hipotezo.
Postopek bi se začel kmalu po nastanku protoplanetarnega diska, ko so se koščki prahu, ki krožijo po orbiti mladega sonca, začeli trkati in se lepiti, kot sinhronizirani drsalci, ki se med kroženjem drsališča spojijo z rokami. Sčasoma bi aerodinamične in gravitacijske sile združile velike grozde teh kamenčkov skupaj in tvorile planetesimals. Platesimalci so nato še naprej pometali preostale kamenčke okoli njih, hitro so rasli, dokler niso oblikovali planetov.
Poleg reševanja vprašanja, kako plinski velikani tako hitro rastejo, model ponuja tudi način premagovanja nečesa, imenovanega premer velikosti metra, ki je zastavljal modele planetarne akumulacije, odkar je bil prvič začrtan v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Nanaša se na dejstvo, da ko predmeti dosežejo približno tri metre v premeru, bi jih trenje, ki ga ustvarja okoliški plin, poslalo spiralno v sonce. Prodnati kamenčki pomagajo drobiti majhne delce čez prag, zaradi česar so dovolj veliki, da držijo svoje.
Znanstveniki še vedno poskušajo razumeti, ali se je ta proces zgodil po celotnem sončnem sistemu in ali bi se odigral enako na notranjem in zunanjem planetu. (Čeprav to deluje za plinske velikane, se poznejše faze hitre rasti ne ujemajo s tistim, kar vemo o nastanku zemeljskih planetov). Toda raziskovalci bodo morda našli nekaj namigov pozneje letos, ko bo Nasina misija Juno, ki je prejšnji mesec uspešno prispela na Jupiter, začela zbirati podatke o sestavi in jedru planeta.
Walsh pravi, da bo ugotovitev, koliko materiala leži v središču plinskega velikana, pomagalo raziskovalcem, da omejijo različne modele planetarne akrekcije. Če ima Jupiter majhno jedro, bi ga klasična akceracija lahko dovolj hitro zgradila; če je velik, bi to lahko pomenilo, da se je namesto tega zgodilo nekaj podobnega, kot je prodnati kamenček.
Jupiter in njegove lune Io, Europa in Ganymede so fotografirali v misiji Juno kmalu po tem, ko je vesoljsko plovilo vstopilo v orbito okoli plinskega velikana. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Razumevanje, kako se je oblikoval Jupiter, bo tudi raziskovalcem pomagalo razumeti poreklo drugih planetov, vključno z Zemljo. To je zato, ker so Jupiterja obtožili, da se je vmešaval v gradnjo notranjih skalnih planetov, vsaj v skladu z novo idejo, ki jo je razvil Walsh in drugi, ki je v zadnjih letih pridobila na silo.
Hipoteza, znana kot model Grand Tack, nakazuje, da bi Jupiter, ko je končal oblikovanje, očistil ves material na svoji poti okoli sonca in učinkovito odpravil vrzel v protoplanetarnem disku. Na disku pa je bilo še vedno veliko plina in prahu, ki se je pritiskal proti soncu, ko se je disk sploščil in raztegoval, pravi Walsh.
Jupitrova vrzel je dejansko blokirala pretok tega materiala in planet se je "ujel v poplavnih vodah", pravi Walsh. Preselil se je v približno Marsovo orbito s Saturnom blizu pete. Ko pa je sledil Saturn, je prišlo do dovolj materiala, da je znova priključil disk. To je sprostilo pritisk na Jupiter in omogočilo, da se bosta oba planeta spet odselila nazaj, vse v nekaj sto tisoč letih. Model je bil navdihnjen z opazovanjem čudno urejenih planetov v drugih sončnih sistemih, ki nakazujejo, da so takšne migracije pogoste, pravi Walsh.
Za preostali del sončnega sistema bi to bilo nekaj podobnega paru bikov v kozmični kitajski trgovini. Walsh pravi, da bi se koščki naplavin iz notranjega osončja izstrelili, medtem ko bi se nebesa iz zunanjega sistema vlekla. Model pomaga razložiti Marsove dimenzije runt in število in raznolikost teles, ki jih danes najdemo v asteroidnem pasu.
Ponuja tudi možno razlago, kako so kopenski planeti dobili svojo vodo. Po Grand Tacku bi migracija plinskega planeta potekala, ko so se zemeljski planeti še oblikovali, in bi lahko v mešanico vrgli material, bogat z vodo, iz zunanjega osončja. Walsh in številni drugi znanstveniki menijo, da so bili ogljikovi asteroidi, ki so morda nastali onstran Jupitra, glavni nosilci dovajanja vode na Zemljo.
NASA bo septembra začela misijo obiskati enega takšnega asteroida z imenom Bennu. Walsh je so-preiskovalec projekta, imenovanega OSIRIS-REx, ki bo preučil telo od daleč, preden bo odvzel vzorec, da se vrne na Zemljo. Podobna misija japonske vesoljske agencije, imenovana Hayabusa 2, je na poti, da bi leta 2018 vzorčila še en ogljikov asteroid.
Znanstveniki upajo, da bodo izvedeli več o tem, od kod prihajajo ti asteroidi in ali so res vir vrste meteoritov, znanih kot hondriti ogljikovi dioptriji. Upajo tudi, da bo preučevanje neokrnjenega vzorca - in ne del meteorita - pomagalo razkriti, ali so ti predmeti na Zemljo oddali ne samo vodo, temveč organske spojine, ki so morda služile kot predhodniki za življenje.
Ko se OSIRIS-REx vrača na Zemljo, bi lahko prečkal poti z Lucy, še eno predlagano misijo, ki je, tako kot Psyche, finalistka programa Discovery. Pod vodstvom Levisona želi Lucy raziskati zadnje večje pretresanje, ki je pretreslo naš osončje - planetarni tango, ki se je začel približno 500 milijonov let po Grand Tacku. Takrat je Pluton po hipotezi Levisona in drugih sprožil nestabilnost, ki je povzročila, da je Neptun na Upsu in zunanji plinski velikani odstopil od sonca na svoje sedanje položaje.
Ta motnja, znana kot model Nice, bi poslala dež naplavin, ki so vdrli v notranji osončje, kar bi morda razložilo grozde udarcev, nastalih v obdobju, znanem kot pozno težko bombardiranje. Kopenski planeti, kot je Zemlja, so se večinoma oblikovali do te točke, zato dogodek ni bistveno vplival na njihovo sestavo. Morda pa je znanstvenikom skušalo razumeti, kako se razvija sončni sistem. Walsh pravi, da bi motnja lahko v notranjost osončja vrgla predmete, ki niso imeli povezave z materiali, ki sestavljajo večino zemeljskih planetov.
Lucy bi lahko pomagala znanstvenikom, da ugotovijo, kaj se je v resnici zgodilo, in jim dovolijo, da odvijejo, kaj se meša. To bi dosegli s preiskavo skupine asteroidov, zaklenjenih v Jupitrovo orbito. Ti predmeti, znani kot Jovian Trojanci, so mešanica teles, ki so se oblikovala po celotnem zunanjem osončju in jih med selitvijo vrgla skupaj.
Sredi leta 2020, ko jih bo misija dosegla, bodo Trojani usmerjeni v ravno pravšnjo konfiguracijo za vesoljsko plovilo, da bodo opravili velik ogled šestih teles. "Vso kariero sem častil nebesne bogove mehanike, " pravi Levison, planetarni dinamik. "Odločili so se, da mi bodo vrnili denar, ker se planeti dobesedno poravnavajo."
Levison pravi, da bo proučevanje Trojanov od blizu omogočilo raziskovalcem jasnejšo predstavo o tem, kako je prišlo do mešanja modela iz Nice, in lahko ponudi tudi preizkus kamenčkov. Hipoteza predvideva, da bi moralo biti vse, kar je manjše od 60 kilometrov, dejansko drobec večjega telesa. To je napoved, ki bi jo morala znati preizkusiti Lucy.
Umetnikov vtis o površini Venere, kjer so temperature močnih 870 stopinj Fahrenheita. (ESA / AOES Medialab) Te misije so skupaj pripravljene za nadaljnje razumevanje znanstvenikov o izvoru Zemlje, verjetno na način, ki si jih raziskovalci še ne morejo predstavljati. Navsezadnje je za izgradnjo trdne slike planetarne tvorbe potrebno združevanje podatkov iz različnih virov, pravi David Stevenson, planetarni znanstvenik iz Caltech.
Pred nami je še dolga pot, preden bomo razumeli, zakaj se Zemlja in Venera tako razlikujeta. "Sramotno je skoraj to, da tukaj sedimo na Zemlji in imamo ta naš najbližji planet, o katerem smo tako nevedni, " pravi Stevenson. "Razlog, zakaj smo tako nevedni, je prekleto vroče!"
Dejansko so peklenske razmere na površini Venere zavirale prizadevanja za podrobno proučevanje planeta. Rusiji je med 60. in 80. leti uspelo pristati vrsto vesoljskih plovil na površju. Preživeli so le nekaj ur in prenašali kratke utrinke podatkov, preden so podlegli vročini. Toda te in druge misije, kot sta NASA-in Pioneer in Magellan, ki sta planet preučevala od daleč, sta omogočila utrinke v delovanju planeta.
Vemo, na primer, da ima Venera močno toplogredno ozračje, sestavljeno skoraj v celoti iz ogljikovega dioksida in da je, kot kaže, izgubila večino svoje površinske vode. To je tisto, kar preprečuje, da bi se tam pojavila tektonika plošč - voda naj bi namazala kolesa podložnih plošč. Morda lahko tudi razloži, zakaj Veneri primanjkuje geomagnetnega polja, za katerega mnogi znanstveniki menijo, da je nujno življenje, saj ščiti planet pred pustovanjem sončnega vetra. Geomagnetna polja nastajajo s konvekcijo v jedru telesa, pravi Nimmo, in se zanašajo na kroženje plašč - pogosto vezano na tektoniko plošč - za prenos toplote stran.
Znanstveniki želijo več kot vse vzorce površinskih kamnin Venere, vendar to ostaja oddaljen cilj. V bližnji prihodnosti se bodo morali raziskovalci dogovoriti za bolj oddaljena opazovanja, kot so tista iz trenutne japonske misije. V začetku tega leta je vesoljsko plovilo Akatsuki končno začelo prenašati podatke iz svoje orbite okoli Venere po nenačrtovanem petletnem obhodu okoli sonca.
Poleg tega NASA razmišlja o še dveh lastnih misijah, osredotočenih na Venero, ki sta tudi finalista Discoveryja. En projekt, imenovan VERITAS, vodi Smrekar in bi vključeval orbito, ki je sposobna preučevati geologijo planeta v visoki ločljivosti. Druga predlagana misija, ki jo je vodila Lori Glaze iz vesoljskega letališkega centra Goddard, bi analizo edinstvenega ozračja Venere s pomočjo sonde imenovane DAVINCI.
Upanje je, da bodo ta prizadevanja razkrila, zakaj se je Venera razvijala tako, kot je to storila, in s tem, kaj naredi Zemljo drugačno. Trenutno mnogi raziskovalci menijo, da sta Zemlja in Venera verjetno nastala iz približno istega materiala, nato pa sta se s časom razšla po več dejavnikih. Sem spadajo njihova različna bližina sonca in dejstvo, da je Zemlja relativno pozno v svoji zgodovini doživela velik trk - vpliv, ki je tvoril Luno -, ki bi velik del planeta ponovno stopil in lahko spremenil njegovo dinamiko.
Toda dokler ne izvemo več o tem, kako so se oblikovali planeti v našem osončju in kakšni procesi so oblikovali njihovo evolucijo, ne bomo vedeli, kaj razlikuje gostoljuben planet od neplodnega, pravi Walsh. "V vesolju imamo teleskope, ki lovijo planete velikosti Zemlje okoli drugih zvezd, vendar nimamo pojma, ali se bo planet razvil v Venero ali v Zemljo, " pravi. "In to je celotna igra z žogo na neki ravni."
