Universumin suuret mysteerit pyörivät usein kaukaisten, näkymättömien ilmiöiden ympärillä. Tutkijat puhuvat selittämättömistä radioaaltojen purskeista, painovoiman vaikeasta luonteesta ja siitä, tunkeutuuko pimeä energia kosmokseen. Mutta myös muita arvoituksia löytyy omassa galaksin nurkassamme, tuijottaen meitä suoraan kasvoihin - kuten kuinka maasta tuli planeetta, joka se on nykyään.
Tämä kysymys kiehtoo edelleen tutkijoita, jotka pyrkivät ymmärtämään, kuinka Maa muodostui ja miksi se sopii niin hyvin elämän järjestämiseen. Se olisi voinut osoittautua toisin - katso vain lähimmälle naapurillemme ja melkein kaksosellemme Venukselle, jolla ei ole nestemäistä vettä ja jonka pinta on paisuvia 870 astetta Fahrenheit. "Venus ja Maa ovat eräänlainen lopullinen hallintotapa", sanoo Sue Smrekar NASA: n suihkumoottorien laboratoriosta. "Emme ymmärrä täysin, kuinka Maa päätyi niin asuttavaksi ja Venus niin asumattomaksi."
Se on vähän yllättävää, kun otetaan huomioon, että Maa on ylivoimaisesti parhaiten tutkittu planeetta maailmankaikkeudessa. Mutta geologiset prosessit, kuten levytektoniikka, kierrättävät jatkuvasti todisteita menneisyydestä, ja suuri osa maapallon meikkiä koskevasta kriittisestä tiedosta on piilossa sen valtavissa, saavuttamattomissa syvyydessä. "Yrität ymmärtää planeetan, josta voit ottaa näytteitä vain pinnalta", sanoo James Badro, geofysiikka Pariisin Maan fysiikan instituutista. Vaikka tutkijat ovat keränneet runsaasti tietoa tutkimalla jalkamme alla olevaa maata, koko tarina maan rakennuksesta ja evoluutiosta on edelleen tuntematon.
Joten tutkijat ovat kääntyneet taivaan puoleen saadakseen apua. He ovat tutkineet muita tähtijärjestelmiä, jotka etsivät johtolankoja, ja etsineet maapallon rakennuspalikoita aurinkokunnan detrituksen joukosta. Nyt sarja suunniteltuja ja ehdotettuja avaruusoperaatioita voisi auttaa tutkijoita täyttämään enemmän puuttuvia kappaleita.
Tutkiessaan tutkimalla protoplanetaalisten kehon uusien näkökohtien tutkimista mistä ne ovat lähtöisin ja miten ne sekoittuvat toisiinsa, tutkijat toivovat selvittääkseen Maan luoneet planeettojen muodostumisprosessit. Monille se on yhtä filosofinen etsintä kuin tieteellinen. "Kyse on alkuperästämme", Badro sanoo.
Taiteilijan vaikutelma ehdotetusta tehtävästä Psykeyn, asteroidiin, jonka ajateltiin olevan täysin metalli. (NASA / JPL-Caltech) Useimmat tutkijat ovat nyt yhtä mieltä aurinkokunnan järjestelmästämme. Se alkoi 4, 6 miljardia vuotta sitten, kun avaruudessa kelluva valtava kaasu- ja pölypilvi romahti itsensä päälle, kenties läheisen supernovan iskuaallon laukaistaman. Levyttynyt pilvi pyörsi sitten kehruukiekkoksi, josta - noin 100 miljoonaa vuotta myöhemmin - aurinkokuntamme nousi suurin piirtein nykyiseen tilaansa: kahdeksan planeetan ja lukemattomien pienten kappaleiden ympäröimä aurinko ympäri.
Hienommat yksityiskohdat siitä, kuinka kosmisen naapurustomme muodostuivat, ovat kuitenkin kiistanalaisia. Esimerkiksi tutkijat keskustelevat edelleen siitä, mistä planeetat ovat tehty. "Tiedämme, miltä kakku näyttää", sanoo Lindy Elkins-Tanton Arizonan osavaltion yliopistosta, "mutta haluaisimme tietää, miltä myös kaikki nämä yksittäiset ainesosat näyttävät", hän sanoo.
Tutkijoiden mielestä maanpäälliset planeetat kasvoivat niputtamalla pienempiä planeetasoja - halkaisijaltaan jopa kymmeniä mailia olevia esineitä, jotka kertyivät protoplanetaarisesta pölystä. Mutta näiden planetesimpallien koostumusta ja rakennetta on ollut vaikea määrittää. Meteoriittikokoelmassamme - maan päälle pudonneiden asteroidifragmenttien - kokoelmassamme on hyvä paikka aloittaa, sanoo Kalifornian yliopiston Santa Cruzin yliopiston planeettatutkija Francis Nimmo. Mutta se ei riitä.
Tämä johtuu siitä, että meillä ei välttämättä ole näytteitä kaikesta, joka meni planeetoille - jotkut komponentit saattavat puuttua tai niitä ei voi enää olla. Jotkut meteoriitit näyttävät sopivan ottelulta Maapallolle, mutta tutkijat eivät pysty keksimään mitään meteoriittityyppien yhdistelmää, joka selittää täysin maan kemiallisen koostumuksen. "Tämä on tavallaan epämiellyttävää, koska se tarkoittaa, että emme oikeasti tiedä, kuinka maapallo oli koottu", Nimmo sanoo.
Elkins-Tanton toivoo, että ehdotettu tuleva tehtävä - yksi viidestä NASA: n Discovery-ohjelman finalistista - voisi auttaa. Elkins-Tantonin johtama projekti lähettäisi miehittämättömän avaruusaluksen käymään Psyche-nimisen esineen luona, joka istuu Marsin ja Jupiterin välisessä asteroidihihnassa. Psyyke on noin 150 mailia leveä, ja sen tiheyden ja pintakoostumuksen etähavaintojen perusteella näyttää olevan valmistettu kiinteästä metallista. Se voi muistuttaa myös maan rakennuspalikoita.
"Tämä voisi olla pieni ruumiin ydin, joka muodostui maanpäälliselle planeetanmuodostumisalueelle ja joutui vain paljon muihin asioihin ja jonka kivinen ulkopinta oli riisuttu", Elkins-Tanton sanoo. NASAn Dawn-tehtävässä tutkijat tutkivat asteroidi Vestaa, protoplaneetta, joka myös todennäköisesti muodostui lähellä Maata ja potkutettiin sitten asteroidivyöhön. Se on kuitenkin ainutlaatuinen tilaisuus nähdä, mikä sijaitsee Vestan kaltaisten esineiden pinnan alla ja joka on Elkins-Tantonin innoissaan.
"Psyyke on aurinkokunnan ainoa elin, jonka avulla voimme tarkkailla suoraan metallisydämet", hän sanoo. ”Tämä voisi olla ainoa mahdollisuutemme tarkastella tällaista ainesosaa.” Yhdessä muiden Discovery-finalistien kanssa Elkins-Tanton ja hänen kollegansa selvittävät syyskuussa, onko operaatio menossa.
Klassisen planeettamallinnusmallin mukaan heti, kun planeetanimit saavuttivat Psyhen koon - kymmenien satojen mailien poikki -, he alkoivat kannibalisoida naapureitaan, kertoo Coloradon Boulderin Lounais-tutkimusinstituutin planeettatutkija Kevin Walsh. ”Suurimmat kasvavat todella nopeasti”, hän sanoo kasvavan painovoimavaikutuksensa ansiosta.
Tämä karkaavaan lisääntymiseen liittyvä prosessi olisi voittanut aurinkokunnan kappaleiden määrän ehkä sataan kuun- Marsin kokoiseen planeettojen alkioihin ja pienempien roskien säröilyyn. Ajan myötä nämä alkiot yhdistyivät hitaasti planeetoiksi.
Mutta vaikka tämä selitys toimii hyvin maanpäällisille planeetoille, joiden geologisen tutkimuksen mukaan 30–100 miljoonan vuoden aikana muodostui, se on ongelma Jupiterin kaltaisille kaasujättiläisille. Tutkijoiden mielestä näiden elinten ytimien piti kasvaa paljon nopeammin - riittävän nopeasti, jotta niiden massiivinen ilmapiiri voitaisiin vangita varhaisessa aurinkokunnassa esiintyvästä kaasusta, joka hajosi vain muutamassa miljoonassa vuodessa.
Viime vuosikymmenen aikana tutkijat ovat kehittäneet vaihtoehtoisen mekanismin planeettakasvatukseen, joka tunnetaan nimellä kivien lisäys. Se edustaa voimakasta poikkeamista tavanomaisesta lisääntymismallista, jossa esineet yhdistyvät muodostaen asteittain suurempia hiukkasia. Tai, kuten Walshin työtoveri Hal Levison toteaa: ”Kivi tekee lohkareista ja lohkaret tekevät vuorista - aina ylöspäin.” Kivikivi lisää toisaalta ennustaa, että esineet kasvavat nyrkkikokoisista mökeistä Pluton kokoisiksi kappaleiksi. melkein heti, ja jatka sitten massan saamista, sanoo Levison, joka auttoi kehittämään hypoteesia.
Prosessi olisi alkanut pian sen jälkeen, kun polttoainepohjainen kiekko oli muodostunut, kun nuoren auringon ympäri kiertävät pölybitit alkoivat törmätä ja tarttua yhteen, kuten synkronoidut luistelijat, jotka yhdistivät käsiään kiertäen jäähalli. Lopulta aerodynaamiset ja gravitaatiovoimat olisivat vetäneet näiden kivien suuret rypäleet yhteen muodostaen tasonsimleja. Sitten lentokoneet näyttivät edelleen jäljellä olevia kiviä ympärillään, kasvaen nopeasti, kunnes ne muodostivat planeettoja.
Sen lisäksi, että tarkastellaan kysymystä siitä, kuinka kaasujättiläiset kasvoivat niin nopeasti, malli tarjoaa myös tavan päästä niin sanotusta metrikokoisesta esteestä, joka on vaivannut planeettojen lisääntymisen malleja siitä lähtien, kun se esitettiin ensimmäistä kertaa 1970-luvulla. Se viittaa tosiasiaan, että kun esineet saavuttavat halkaisijaltaan noin kolme jalkaa, ympäröivän kaasun aiheuttama kitka olisi lähettänyt ne spiraalimaisesti aurinkoon. Kiviä lisääntyminen auttaa vahingoittamaan pieniä hiukkasia kynnyksen yli, mikä tekee niistä riittävän suuria pitämään omia.
Tutkijat yrittävät yhä ymmärtää, tapahtuiko tämä prosessi koko aurinkokunnan alueella ja olisiko se pelannut samalla tavalla sisä- ja ulkoplanetaateille. (Vaikka se toimii kaasujäättäjille, nopean kasvun myöhemmät vaiheet eivät sovi siihen, mitä me tiedämme maanpäällisen planeetan muodostumisesta). Mutta tutkijat saattavat löytää johtolankoja myöhemmin tänä vuonna, kun NASA: n Juno-operaatio, joka meni menestyksekkäästi Jupiteriin viime kuussa, alkaa kerätä tietoja planeetan koostumuksesta ja ytimestä.
Walsh sanoo, että sen selvittäminen, kuinka paljon materiaalia on kaasujättilän keskipisteessä, auttaa tutkijoita rajoittamaan erilaisia planeettojen lisääntymismalleja. Jos Jupiterilla on pieni ydin, klassinen lisäys olisi voinut rakentaa sen riittävän nopeasti; Jos se on iso, se saattaa tarkoittaa, että sen sijaan tapahtui jotain kiviä, hän sanoo.
Jupiter ja sen kuut Io, Europa ja Ganymede, kuten Juno-operaatio on kuvannut pian sen jälkeen, kun avaruusalus on saapunut kiertoradalle kaasujättilän ympärillä. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Jupiterin muodostumisen ymmärtäminen auttaa tutkijoita myös ymmärtämään muiden planeettojen, mukaan lukien Maan, alkuperät. Tämä johtuu siitä, että Jupiteria on syytetty sekaantumisesta kallioisten sisäisten planeettien rakentamiseen, ainakin Walshin ja muiden kehittämän uuden idean mukaan, joka on saatu pitoa viime vuosina.
Hypoteesi, joka tunnetaan nimellä Grand Tack -malli, viittaa siihen, että Jupiterin loppuneen muodostumisen jälkeen se olisi puhdistanut kaiken materiaalinsa tiellä aurinkoa ympäröimään ja veistänyt tehokkaasti raon protoplanetaariseen levyyn. Levy sisälsi kuitenkin edelleen paljon kaasua ja pölyä, jotka painuivat kohti aurinkoa levyn tasoittuessa ja venytyessä, Walsh sanoo.
Jupiterin aukko esti tehokkaasti tämän materiaalin virtauksen, ja planeetta joutui ”kiinni tulvavesiin”, Walsh sanoo. Se muutti noin Marsin kiertoradalle Saturnuksen ollessa lähellä kantapään. Mutta kun Saturnus seurasi, se jäljitti tarpeeksi materiaalia levyn kytkemiseen uudelleen. Tämä vapautti paineen paineen Jupiteriin, jolloin molemmat planeetat pystyivät muuttamaan takaisin ulos, kaikki muutaman sadan tuhannen vuoden tilassa. Malli on inspiroinut muissa aurinkokunnissa esiintyneiden omituisesti järjestettyjen planeettojen havainnoista, jotka viittaavat sellaisiin muuttoihin, Walsh sanoo.
Muulle aurinkokunnalle tämä olisi ollut jotain härkäparia kosmisessa kiinakaupassa. Sisäisen aurinkokunnan jäämät olisivat potkineet ulos, kun taas ulkoisen järjestelmän särö olisi vetäytynyt sisään, Walsh sanoo. Malli auttaa selittämään Marsin juoksukoko-mitat ja asteroidivyöhykkeestä löydettyjen ruumiiden määrän ja monimuotoisuuden.
Se tarjoaa myös mahdollisen selityksen siitä, kuinka maanpäälliset planeetat saivat veden. Grand Tackin mukaan kaasuplaneettojen muuttoliike olisi tapahtunut maanpäällisten planeettojen muodostumisen aikana, ja ne olisivat voineet heittää vesipitoista materiaalia ulkoisesta aurinkojärjestelmästä seokseen. Walsh ja monet muut tutkijat ajattelevat, että hiilipitoiset asteroidit, jotka ovat mahdollisesti muodostuneet Jupiterin ulkopuolelle, olivat pääasiallisia ajoneuvoja veden toimittamiseen Maahan.
NASA aloittaa tämän syyskuussa operaation vieraillaan yhdessä sellaisessa asteroidissa nimeltä Bennu. Walsh on OSIRIS-REx-nimisen hankkeen tutkija, joka tutkii vartaloa kaukaa ennen näytteen tarttumista takaisin maahan. Samanlainen japanilaisen avaruusjärjestön Hayabusa 2 -niminen tehtävä on matkalla näytteelle toisesta hiilipitoisesta asteroidista vuonna 2018.
Tutkijat toivovat saavansa lisätietoja siitä, mistä nämä asteroidit ovat kotoisin ja ovatko ne todellakin lähde luokkaan meteoriitteja, joita kutsutaan hiilipitoisiksi chondriiteiksi. He myös toivovat, että koskemattoman näytteen - eikä meteoriittifragmentin - tutkiminen auttaa paljastamaan, toimittivatko nämä esineet paitsi vettä Maapallolle myös orgaanisia yhdisteitä, jotka ovat voineet toimia elämän edeltäjinä.
Kun OSIRIS-REx palaa maan päälle, se voisi kulkea polkuja Lucyn kanssa, joka on toinen ehdotettu tehtävä, joka, kuten Psyche, on Discovery-ohjelman finalisti. Levisonin johdolla Lucy pyrkii tutkimaan viimeistä suurta täristystä, joka järkytti aurinkokuntamme - planeetta-tangoa, joka alkoi noin 500 miljoonaa vuotta Grand Tackin jälkeen. Silloin Levisonin ja muiden hypoteesin mukaan Pluto aiheutti epävakauden, joka sai aikaan Neptunuksen hypätäkseen Uranuksen ulkopuolelle ja ulkoiset kaasujättiläiset muuttaneet pois auringosta nykyiseen asemaansa.
Tämä häiriö, joka tunnetaan nimellä Nizzan malli, olisi lähettänyt roskien sateen, joka sattuu sisäiseen aurinkokuntaan, mahdollisesti selittäen iskujen rypäleen, joka muodostui ajanjaksolle, jota kutsutaan myöhäispainoisiksi pommituksiksi. Maan kaltaiset maanpäälliset planeetat olivat pääosin muodostuneet tähän pisteeseen, joten tapahtuma ei vaikuttanut merkittävästi niiden koostumukseen. Mutta se on saattanut heittää kurvipallon tutkijoille, jotka yrittivät ymmärtää aurinkokunnan kehitystä. Häiriö on saattanut heittää esineitä sisäiseen aurinkokuntaan, jolla ei ollut yhteyttä materiaaleihin, jotka muodostavat suurimman osan maanpäällisistä planeetoista, Walsh sanoo.
Lucy voi auttaa tutkijoita selvittämään, mitä todella tapahtui, ja antamaan heille mahdollisuuden purkaa se, mikä sekoitettiin missä. Se suorittaa tämän tutkimalla ryhmää asteroideja, jotka on lukittu Jupiterin kiertoradalle. Nämä esineet, jotka tunnetaan nimellä Jovian troijalaiset, ovat sekoitus kappaleita, jotka muodostuivat koko ulkoisen aurinkojärjestelmän läpi ja sitten heitettiin yhteen muuton aikana.
2020-luvun puolivälissä, kun operaatio saavuttaisi heidät, troijalaiset suuntautuvat juuri oikeaan kokoonpanoon avaruusalukselle tehdäkseen suuren kierroksen kuudesta ruumista. "Olen palvonnut taivaanmekaniikan jumalia koko urani ajan", sanoo Levison, planeettadynamiikka. "He päättivät maksaa minulle takaisin, koska planeetat kohdistuvat kirjaimellisesti."
Levison sanoo, että troijalaisten lähemmäs opiskelu antaa tutkijoille selkeämmän kuvan siitä, kuinka Nizzan mallin sekoittuminen tapahtui, ja voi myös tarjota testin kivien lisääntymiselle. Hypoteesi ennustaa, että kaiken, joka on pienempi kuin noin 60 mailia, pitäisi todella olla fragmentti suuremmasta vartalosta. Se on ennuste, jonka Lucyn pitäisi voida testata.
Taiteilijan vaikutelma Venuksen pinnasta, jossa lämpötilat ovat leuto (870 astetta Fahrenheit). (ESA / AOES Medialab) Yhdessä nämä tehtävät näyttävät olevan valmiita edistämään tiedemiesten ymmärrystä maan alkuperästä, luultavasti tavoilla, joita tutkijat eivät voi vielä edes kuvitella. Loppujen lopuksi kestävän kuvan rakentaminen planeettojen muodostumisesta vaatii monien eri lähteiden tietojen yhdistämistä, Caltechin planeettatutkija David Stevenson sanoo.
Meillä on kuitenkin vielä pitkä tie kuljettavana ennen kuin ymmärrämme, mikä tekee maapallosta ja Venuksesta niin erilaisia. "On melkein hämmennystä siitä, että täällä olemme, istumme maan päällä, ja meillä on meille tämä iso lähin planeetta, josta olemme niin tietämättömiä", Stevenson sanoo. "Syy siihen, että olemme niin tietämättömiä, on se pirun kuuma!"
Itse asiassa Venuksen pinnalla olevat helvettiolosuhteet ovat hidastaneet pyrkimyksiä tutkia planeettaa yksityiskohtaisesti. Venäjä onnistui laskeutumaan sarjasta avaruusaluksia 1960–80-luvulla. He selvisivät vain muutaman tunnin ja lähettivät lyhyitä välähdyksiä tiedosta ennen kuin he antautuivat kuumuuteen. Mutta nämä ja muut tehtävät, kuten NASA: n Pioneer ja Magellan, jotka tutkivat planeettaa kaukaa, tarjosivat välähdyksiä planeetan toimintaan.
Tiedämme esimerkiksi, että Venuksessa on voimakas kasvihuoneilmapiiri, joka on valmistettu melkein kokonaan hiilidioksidista ja että se näyttää menettäneen suurimman osan pintavesistään. Tämä saattaa estää levytektonian esiintymisen siellä - veden uskotaan voitelevan subduktiolevyjen pyörät. Se voi myös selittää miksi Venuksesta puuttuu geomagneettinen kenttä, jota monet tutkijat pitävät välttämättömänä elämälle, koska se suojaa planeettaa aurinko tuulen tuhoilta. Geomagneettiset kentät syntyy konvektiolla kehon ytimessä, nimmo sanoo, ja luottavat vaipan kiertoon - joka usein sidotaan levytektoniaan - lämmön siirtämiseksi pois.
Se mitä tutkijat haluavat enemmän kuin mitä tahansa, ovat näytteitä Venuksen pintakivistä, mutta se on edelleen kaukainen tavoite. Lähitulevaisuudessa tutkijoiden on tyydyttävä kauempana oleviin havaintoihin, kuten nykyisen Japanin operaation aikana. Aikaisemmin tänä vuonna Akatsuki-avaruusalus aloitti vihdoin tiedon välittämisen kiertoradaltaan Venuksen ympärillä suunnittelemattoman viisivuotisen kiertotien jälkeen auringon ympärillä.
Lisäksi NASA harkitsee kahta muuta omaa Venuskeskeistä operaatiota, jotka ovat myös Discovery-finalisteja. Yksi projekti, nimeltään VERITAS, on Smrekarin johtama, ja siihen tulisi osallistua kiertoradalla toimija, joka kykenee tutkimaan planeetan geologiaa teräväpiirtona. Toinen ehdotettu tehtävä, jota johtaa Goddardin avaruuslentokeskuksen Lori Glaze, analysoisi Venuksen ainutlaatuista ilmapiiriä käyttämällä koetinta nimeltä DAVINCI.
Toivomme, että nämä pyrkimykset paljastavat miksi Venus kehittyi samalla tavalla kuin se ja mikä tekee maasta erilaisen. Tällä hetkellä monet tutkijat ajattelevat, että Maa ja Venus muodostuivat todennäköisesti suunnilleen samasta materiaalista, sitten erottuivat ajan myötä useiden tekijöiden ansiosta. Näitä ovat niiden erilainen läheisyys aurinkoon ja se tosiasia, että Maa kokenut suuren törmäyksen suhteellisen myöhään historiansa aikana - vaikutuksen, joka muodosti kuun - joka olisi sulattanut suuren osan planeetasta ja muuttanut mahdollisesti sen dynamiikkaa.
Mutta ennen kuin tiedämme enemmän siitä, kuinka aurinkokuntamme planeetat muodostuivat ja mitkä prosessit muovasivat niiden evoluutiota, emme tiedä, mikä erottaa vieraanvaraisen planeetan karuudesta, Walsh sanoo. "Meillä on avaruudessa teleskooppeja, jotka metsästävät maapallon kokoisia planeettoja muiden tähtien ympärillä, mutta meillä ei ole aavistustakaan, muuttuuko planeetta Venukseksi tai maapallolle", hän sanoo. "Ja se on koko pallopeli, jollain tasolla."
