ความเอียงของดาวยูเรนัสมีดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่ด้านข้างแกนหมุนหมุนเกือบชี้ไปที่ดวงอาทิตย์
(ภาพ: © NASA และ Erich Karkoschka, U. of Arizona)
แม้ว่าดาวเคราะห์จะล้อมรอบดาวฤกษ์ในกาแลคซี แต่รูปร่างของมันยังคงเป็นประเด็นถกเถียง แม้จะมีความมั่งคั่งของโลกในระบบสุริยะของเราเอง แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่แน่ใจว่าจะสร้างดาวเคราะห์ได้อย่างไร ขณะนี้มีสองทฤษฎีที่กำลังดุเดือดเพื่อบทบาทของแชมป์เปี้ยน
การขยายตัวของแกนแรกและที่ยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดทำงานได้ดีกับการก่อตัวของดาวเคราะห์โลก แต่มีปัญหากับดาวเคราะห์ยักษ์เช่นดาวยูเรนัส ประการที่สองวิธีความไม่เสถียรของดิสก์อาจอธิบายถึงการสร้างดาวเคราะห์ขนาดยักษ์
นักวิทยาศาสตร์ Renata Frelikh และ Ruth Murray-Clay กล่าวว่าสิ่งที่แยกยักษ์น้ำแข็งออกจากยักษ์ใหญ่ในก๊าซคือประวัติการก่อตัวของมัน: ในช่วงการเติบโตของแกนกลางอดีตไม่เคยมีมวลวิกฤตในดิสก์แก๊สเต็ม
รูปแบบการสะสมหลัก
ประมาณ 4.6 พันล้านปีก่อนระบบสุริยะเป็นเมฆฝุ่นและก๊าซที่เรียกว่าเนบิวลาสุริยะ แรงโน้มถ่วงยุบตัววัสดุในตัวมันเองในขณะที่มันเริ่มหมุนก่อตัวดวงอาทิตย์ในใจกลางของเนบิวลา
เมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นวัสดุที่เหลือก็เริ่มรวมตัวกัน อนุภาคขนาดเล็กดึงเข้าหากันด้วยแรงโน้มถ่วงของแรงโน้มถ่วงเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ ลมสุริยะกวาดองค์ประกอบที่มีน้ำหนักเบาออกไปเช่นไฮโดรเจนและฮีเลียมจากภูมิภาคที่ใกล้ชิดเหลือวัสดุหินที่มีน้ำหนักมากเพื่อสร้างโลกบนพื้นโลก แต่ไกลออกไปลมสุริยะมีผลกระทบน้อยกว่ากับองค์ประกอบที่เบากว่าทำให้พวกมันสามารถรวมตัวกันเป็นยักษ์ก๊าซเช่นดาวยูเรนัส ด้วยวิธีนี้ดาวเคราะห์น้อยดาวหางดาวเคราะห์และดวงจันทร์ก็ถูกสร้างขึ้น
ไม่เหมือนกับดาวก๊าซยักษ์ส่วนใหญ่ดาวยูเรนัสมีแกนกลางที่เป็นหินแทนที่จะเป็นก๊าซ แกนกลางน่าจะก่อตัวขึ้นก่อนแล้วจึงรวมไฮโดรเจนฮีเลียมและมีเธนเข้าด้วยกันเพื่อสร้างชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ความร้อนจากแกนกลางทำให้อุณหภูมิและสภาพอากาศของดาวยูเรนัสมีอิทธิพลเหนือความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์ที่อยู่ไกลออกไปซึ่งอยู่ห่างออกไปเกือบ 2 พันล้านไมล์
การสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบบางคนดูเหมือนจะยืนยันว่าการเพิ่มขึ้นของแกนกลางเป็นกระบวนการก่อตัวที่โดดเด่น ดาวที่มี "โลหะ" มากขึ้น - เป็นคำที่นักดาราศาสตร์ใช้สำหรับองค์ประกอบอื่นที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนและฮีเลียม - ในแกนกลางของพวกเขามีดาวเคราะห์ยักษ์มากกว่าลูกพี่ลูกน้องที่น่าสงสารของโลหะ จากการสำรวจของนาซ่าระบุว่าการเพิ่มขึ้นของแกนกลางนั้นบ่งบอกว่าโลกหินขนาดเล็กควรอยู่ร่วมกันมากกว่าดาวก๊าซยักษ์ใหญ่
การค้นพบดาวเคราะห์ยักษ์ยักษ์ที่มีแกนกลางขนาดใหญ่โคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ HD 149026 เป็นตัวอย่างของดาวเคราะห์นอกระบบที่ช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับกรณีที่เพิ่มขึ้น
“ นี่เป็นการยืนยันทฤษฎีการสะสมหลักสำหรับการก่อตัวดาวเคราะห์และหลักฐานที่แสดงว่าดาวเคราะห์ประเภทนี้น่าจะมีอยู่มากมาย” Greg Henry กล่าวในการแถลงข่าว เฮนรี่นักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเทนเนสซีสเตตแนชวิลล์ตรวจพบแสงดาวสลัว
ในปี 2560 องค์การอวกาศยุโรปวางแผนที่จะเปิดตัวดาวเทียม ExOPlanet ที่เป็นลักษณะเฉพาะ (CHEOPS) ซึ่งจะศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบที่มีขนาดตั้งแต่ซุปเปอร์เอิร์ ธ ไปจนถึงเนปจูน การศึกษาโลกที่ห่างไกลเหล่านี้อาจช่วยกำหนดว่าดาวเคราะห์ในระบบสุริยะก่อตัวอย่างไร
“ ในสถานการณ์การสะสมหลักแกนกลางของดาวเคราะห์จะต้องไปถึงมวลวิกฤตก่อนที่มันจะสามารถสะสมก๊าซในรูปแบบของการหลบหนีได้” ทีม CHEOPS กล่าว “ มวลวิกฤตนี้ขึ้นอยู่กับตัวแปรทางกายภาพมากมายซึ่งสำคัญที่สุดคืออัตราการเพิ่มของดาวเคราะห์
ด้วยการศึกษาว่าดาวเคราะห์ที่เติบโตมาพร้อมวัสดุนั้น CHEOPS จะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการเติบโตของโลก
โมเดลความไม่แน่นอนของดิสก์
แต่ความต้องการการก่อตัวอย่างรวดเร็วสำหรับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เป็นปัญหาอย่างหนึ่งของการสะสมแกนหลัก ตามแบบจำลองกระบวนการนี้ใช้เวลาหลายล้านปีนานกว่าก๊าซแสงที่มีอยู่ในระบบสุริยะยุคแรก ในเวลาเดียวกันรูปแบบการสะสมแกนกลางกำลังเผชิญกับปัญหาการย้ายถิ่นเนื่องจากดาวเคราะห์ทารกมีแนวโน้มที่จะหมุนวนไปในดวงอาทิตย์ในระยะเวลาอันสั้น
“ ดาวเคราะห์ยักษ์ก่อตัวเร็วมากในเวลาไม่กี่ล้านปี” เควินวอลช์นักวิจัยจากสถาบันวิจัยภาคตะวันตกเฉียงใต้ในโบลเดอร์โคโลราโดบอกกับ Space.com "นั่นสร้างระยะเวลาเพราะดิสก์แก๊สรอบดวงอาทิตย์มีอายุเพียง 4 ถึง 5 ล้านปีเท่านั้น"
ตามทฤษฎีที่ค่อนข้างใหม่ความไม่เสถียรของดิสก์ฝุ่นและก๊าซรวมตัวกันในช่วงต้นของระบบสุริยะ เมื่อเวลาผ่านไปกลุ่มเหล่านี้จะค่อยๆกระชับเป็นดาวเคราะห์ยักษ์ ดาวเคราะห์เหล่านี้สามารถก่อตัวได้เร็วกว่าคู่ต่อสู้หลักของพวกเขาบางครั้งก็ใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งพันปีทำให้พวกมันสามารถดักจับก๊าซที่เบากว่าที่หายไปอย่างรวดเร็ว พวกเขายังไปถึงมวลที่มีวงโคจรคงที่อย่างรวดเร็วซึ่งทำให้พวกเขาจากความตายเดินไปยังดวงอาทิตย์
ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาดาวเคราะห์ในระบบสุริยะรวมถึงรอบดาวฤกษ์อื่นพวกเขาจะเข้าใจได้ดีขึ้นว่าดาวยูเรนัสและพี่น้องก่อตัวขึ้นอย่างไร
การเพิ่มกรวด
ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการเพิ่มแกนหลักคือเวลา - การสร้างยักษ์ก๊าซยักษ์เร็วพอที่จะจับชิ้นส่วนที่เบากว่าของบรรยากาศ การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับวัตถุที่มีขนาดเล็กและกรวดรวมกันเพื่อสร้างดาวเคราะห์ยักษ์ได้เร็วกว่าการศึกษาก่อนหน้านี้ถึง 1,000 เท่า
“ นี่เป็นแบบจำลองแรกที่เรารู้เกี่ยวกับว่าคุณเริ่มต้นด้วยโครงสร้างที่เรียบง่ายสำหรับเนบิวลาสุริยะซึ่งดาวเคราะห์ก่อตัวและจบลงด้วยระบบดาวเคราะห์ยักษ์ที่เราเห็น ที่ Southwest Research Institute (SwRI) ในโคโลราโดบอก Space.com ในปี 2015
ในปี 2012 นักวิจัย Michiel Lambrechts และ Anders Johansen จากมหาวิทยาลัย Lund ในสวีเดนเสนอว่าก้อนกรวดเล็ก ๆ ที่ถูกตัดออกครั้งหนึ่งถือเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างดาวเคราะห์ยักษ์อย่างรวดเร็ว
“ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าก้อนกรวดที่เหลือจากกระบวนการก่อตัวนี้ซึ่งก่อนหน้านี้เคยคิดว่าไม่สำคัญอาจเป็นทางออกที่ดีสำหรับปัญหาการก่อตัวดาวเคราะห์” เลวีสันกล่าว
เลวิสันและทีมของเขาได้สร้างการวิจัยเพื่อจำลองแบบแม่นยำยิ่งขึ้นว่าก้อนกรวดเล็ก ๆ สามารถก่อตัวดาวเคราะห์ที่มองเห็นได้ในกาแลคซีในปัจจุบัน ในขณะที่การจำลองก่อนหน้านี้วัตถุทั้งขนาดใหญ่และขนาดกลางบริโภคลูกพี่ลูกน้องก้อนกรวดของพวกเขาในอัตราที่ค่อนข้างคงที่การจำลองของ Levison แนะนำว่าวัตถุขนาดใหญ่ทำตัวเหมือนรังแกและจับก้อนกรวดจากมวลขนาดกลางให้เติบโตเร็วขึ้น ประเมินค่า.
"ตอนนี้วัตถุขนาดใหญ่มักจะกระจัดกระจายวัตถุขนาดเล็กมากกว่าวัตถุขนาดเล็กกระจายกลับไปดังนั้นวัตถุขนาดเล็กก็จะกระจัดกระจายออกจากดิสก์ก้อนกรวด" Katherine Kretke ผู้ร่วมเขียนการศึกษาจาก SwRI บอก Space.com . โดยทั่วไปแล้วผู้ชายที่ใหญ่กว่าจะรังแกคนที่เล็กกว่าเพื่อให้พวกเขาสามารถกินก้อนกรวดทั้งหมดได้และพวกเขาก็สามารถเติบโตต่อไปเพื่อสร้างแกนของดาวเคราะห์ยักษ์ได้
การสะสมเพบเบิลมีแนวโน้มที่จะทำงานให้กับดาวเคราะห์ยักษ์มากกว่าโลกบนพื้นโลก จากข้อมูลของฌอนเรย์มอนด์แห่งมหาวิทยาลัยบอร์โดซ์ของฝรั่งเศสนั่นเป็นเพราะ "ก้อนกรวด" มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยและง่ายต่อการเกาะอยู่บนแนวหิมะที่ผ่านมาเส้นจินตนาการในที่ซึ่งก๊าซเย็นพอที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง
“ สำหรับก้อนกรวดมันเป็นการดีกว่าที่จะผ่านแนวหิมะ” เรย์มอนด์บอกกับ Space.com
ในขณะที่การกรวดก้อนกรวดทำงานได้ดีสำหรับยักษ์ก๊าซ แต่ก็มีความท้าทายบางประการสำหรับยักษ์น้ำแข็ง นั่นเป็นเพราะอนุภาคขนาดตั้งแต่มิลลิเมตรถึงเซนติเมตรจะมีประสิทธิภาพอย่างมาก
"พวกมันเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วจนเป็นเรื่องยากสำหรับแกนน้ำแข็งยักษ์ที่จะอยู่ในแกนกลางมวลของพวกมันในช่วงเวลาสำคัญในช่วงอายุการใช้งานดิสก์ในขณะที่ใช้ซองบรรจุแก๊ส" Frelikh และ Murray-Clay เขียน
"เพื่อหลีกเลี่ยงการหลบหนีพวกเขาจะต้องทำให้การเติบโตของพวกเขาเสร็จสิ้นในเวลาที่กำหนดเมื่อดิสก์แก๊สบางส่วน แต่ไม่หมดลง"
ทั้งคู่เสนอว่าการสะสมก๊าซส่วนใหญ่บนแกนของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่ของมันออกไปจากดวงอาทิตย์ แต่อะไรที่ทำให้พวกเขาเปลี่ยนบ้านของพวกเขาในระบบสุริยจักรวาล?
แบบอย่างที่ดี
ในขั้นต้นนักวิทยาศาสตร์คิดว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นในส่วนเดียวกันของระบบสุริยะที่พวกเขาอาศัยอยู่ในปัจจุบัน การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบส่ายสิ่งต่าง ๆ เผยให้เห็นว่าอย่างน้อยที่สุดวัตถุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดบางอย่างสามารถอพยพได้
ในปี 2005 มีเอกสารสามฉบับที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เสนอว่าดาวยูเรนัสและดาวเคราะห์ยักษ์อื่น ๆ นั้นถูกผูกไว้ในวงโคจรรอบวงกลมที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ แผ่นหินและน้ำแข็งขนาดใหญ่ล้อมรอบพวกมันทอดยาวออกไปประมาณ 35 เท่าของระยะทางจากดวงอาทิตย์โลกซึ่งอยู่นอกวงโคจรของเนปจูน พวกเขาเรียกสิ่งนี้ว่าแบบจำลอง Nice หลังจากเมืองในฝรั่งเศสที่พวกเขาพูดถึงมันเป็นครั้งแรก (นั่นคือนีสเด่นชัด)
เมื่อดาวเคราะห์มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุขนาดเล็กพวกมันก็กระจัดกระจายส่วนใหญ่ไปยังดวงอาทิตย์ กระบวนการดังกล่าวทำให้พวกเขาแลกเปลี่ยนพลังงานกับวัตถุส่งดาวเสาร์เนปจูนและดาวยูเรนัสออกไปสู่ระบบสุริยะไกลออกไป ในที่สุดวัตถุขนาดเล็กก็มาถึงดาวพฤหัสซึ่งส่งพวกมันบินไปที่ขอบของระบบสุริยะหรือหลุดออกจากมันอย่างสมบูรณ์
การเคลื่อนที่ระหว่างดาวพฤหัสและดาวเสาร์ทำให้ดาวยูเรนัสและเนปจูนพุ่งเข้าสู่วงโคจรที่เยื้องศูนย์ยิ่งขึ้นส่งคู่ผ่านดิสก์ที่เหลือของไอซี เนื้อหาบางส่วนถูกเหวี่ยงเข้าด้านในซึ่งมันชนเข้ากับดาวเคราะห์บนพื้นโลกในช่วงการระดมยิงสายใหญ่ วัสดุอื่นถูกขว้างออกไปข้างนอกสร้าง Kuiper Belt
ขณะที่พวกมันเคลื่อนตัวออกด้านนอกอย่างช้าๆดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสก็เปลี่ยนสถาน ในที่สุดการมีปฏิสัมพันธ์กับเศษซากที่เหลือทำให้ทั้งคู่ตกลงไปในเส้นทางวงกลมมากขึ้นเมื่อพวกเขามาถึงระยะทางปัจจุบันจากดวงอาทิตย์
ระหว่างทางเป็นไปได้ว่ามีดาวเคราะห์ยักษ์ดวงหนึ่งหรือสองดวงถูกขับออกจากระบบ นักดาราศาสตร์ David Nesvorny จากสถาบันวิจัย Southwest ในโคโลราโดได้จำลองระบบสุริยะยุคแรกเพื่อค้นหาเบาะแสที่อาจนำไปสู่การเข้าใจประวัติศาสตร์ยุคแรก
ในยุคแรก ๆ ระบบสุริยะนั้นแตกต่างกันมากโดยมีดาวเคราะห์อีกหลายดวงซึ่งอาจมีขนาดใหญ่เท่ากับเนปจูนก่อตัวและกระจัดกระจายไปยังสถานที่ต่าง ๆ Nesvorny กล่าวกับ Space.com
เยาวชนที่อันตราย
ระบบสุริยะช่วงแรกเป็นช่วงเวลาที่มีการปะทะกันอย่างรุนแรงและดาวยูเรนัสก็ไม่ได้รับการยกเว้น ในขณะที่พื้นผิวของดวงจันทร์และดาวพุธทั้งคู่แสดงหลักฐานการทิ้งระเบิดโดยหินและดาวเคราะห์น้อยขนาดเล็กดาวยูเรนัสก็ประสบกับการชนที่สำคัญกับดาวเคราะห์ขนาดเท่าโลก เป็นผลให้ดาวยูเรนัสเอียงด้านข้างโดยมีเสาหนึ่งดวงชี้ไปทางดวงอาทิตย์ครึ่งปี
ดาวยูเรนัสเป็นยักษ์น้ำแข็งที่ใหญ่ที่สุดซึ่งส่วนหนึ่งอาจจะเป็นเพราะมันสูญเสียมวลของมันไปในระหว่างการปะทะ
