Systemen in de vroege stadia van formatie ondervinden de meeste impacts vanwege de aanwezigheid van een groot aantal embryo's in onstabiele banen. Zullen we in staat zijn om deze processen te beschouwen en het verleden van de aarde te onthullen?
In de laatste stadia van planeetvorming botsen jonge planetaire embryo's tegen andere protoplaneten, waardoor hun oppervlakken en mantels intensief smelten. Een van die botsingen tussen de toekomstige aarde en Theia die het trof, creëerde het aarde-maansysteem en leidde tot de opkomst van de magma-oceaan: een mengsel van gesmolten silicaten en vluchtige stoffen die zich door de mantel uitstrekken. Oceanen van magma vormden het toneel voor het vroege oppervlak en de atmosfeer waarop de levensomstandigheden zich uiteindelijk ontwikkelden.
De botsing van de pasgeboren aarde en Theia (een object ter grootte van Mars), die de vorming van de maan veroorzaakte.
Helaas voor geofysici, maar gelukkig voor het leven in het algemeen, hebben miljarden jaren van platentektoniek op aarde de duidelijke tekenen van een oceaan van magma vernietigd, en daarom begrijpen wetenschappers nauwelijks hoe deze hete en gesmolten wereld in een bewoonbare planeet veranderde. Er wordt echter aangenomen dat de algemene principes van de vorming van rotsachtige planeten vergelijkbaar zijn in systemen van andere sterren, en daarom zijn de krachtigste inslagen niet zeldzaam op de planeten die momenteel worden gevormd in de banen van jonge sterren.
Dit maakt het mogelijk om een momentopname te maken van het nagloeien van gigantische inslagen in exoplanetaire systemen. Directe detectie van een gesmolten protoplaneet zal de sleutel zijn tot de vroege stadia van planetaire evolutie.
De jacht op gesmolten werelden
Jonge protoplaneten zijn erg heet en helder, aangezien hun oppervlaktetemperaturen 3000 ° C kunnen bereiken. Je zou dus kunnen denken dat ze gemakkelijk te zien zijn aan de nachtelijke hemel, maar helaas is dit niet helemaal waar. In feite, als de gesmolten mantel stolt, worden de opgeloste vluchtige stoffen zoals water en kooldioxide geleidelijk afgegeven aan de atmosfeer. Bij afwezigheid van sterke sterrenwinden of hoge niveaus van ultraviolette straling van de ster, zal de atmosfeer van de planeet dikker worden, waardoor het oppervlak verduisterd wordt. Daarbij zal het als een deken werken en de afkoelperiode van de magma-oceaan verlengen.
Promotie video:
Een artistieke weergave van een exoplaneet bedekt met magma-oceanen.
Hoewel het bestaan van magmatische oceanen wordt gesuggereerd door theoretische modellen van planetaire vorming, is het mondiaal smelten van lichamen als gevolg van botsingen tussen protoplaneten nog niet waargenomen. Aangezien verwacht wordt dat het aantal van dergelijke inslagen in de loop van de tijd geleidelijk zal afnemen, bieden jonge planetenstelsels de beste kansen om dergelijke objecten te detecteren.
Om echter zichtbaar te zijn, moeten deze gesmolten lichamen aan twee voorwaarden voldoen. Ten eerste, wees niet te dicht bij hun ster, anders kan de telescoop de gesmolten protoplaneet niet scheiden van zijn heldere gastheer. Ten tweede moet een voldoende hoeveelheid straling van de magma-oceaan de atmosfeer binnendringen.
In termen van uitgezonden straling zijn gesmolten protoplaneten een aantrekkelijk doelwit voor directe beeldvorming omdat ze veel helderder zijn dan oudere planeten zoals de aarde. Dus als we ooit willen beginnen met het verzamelen van onmiddellijke foto's van aardachtige planeten buiten het zonnetje, dan zijn gesmolten protoplaneten een goede plek om te beginnen!
Wat zijn de kansen om nagloeien te detecteren?
Helaas blijft directe detectie van gesmolten planeten, zelfs met de meest geavanceerde beeldvormende tools, onbereikbaar. De jaren 2020 zullen echter het tijdperk inluiden van kolossale telescopen op de grond: ESO's Extremely Large Telescope (ELT) in Chili, de Giant Magellanic Telescope (GMT) in Chili en de Thirty Meter Telescope (TMT) in Hawaï. Naast nieuwe observatoria op de grond, worden toekomstige ruimtemissies overwogen voor directe beeldvorming van rotsachtige planeten in bewoonbare zones van zonachtige sterren, in het bijzonder de LIFE-interferometer (Large Interferometer for Exoplanet), die een ongekende nauwkeurigheid belooft bij het karakteriseren van planeten buiten de zon.
Artistieke weergave van ESO's Extremely Large Telescope.
De kans op het zien van een gesmolten planeet hangt af van twee hoofdfactoren: het cumulatieve aantal gigantische inslagen dat wordt ervaren door objecten in het planetenstelsel en het tijdsinterval waarin het gesmolten lichaam heet genoeg blijft om te worden gedetecteerd.
Om de waarschijnlijkheid van het waarnemen van gesmolten protoplaneten te bepalen, moet u eerst de waarschijnlijkheid van gigantische inslagen vaststellen door planetaire vorming te simuleren. Computersimulaties volgen de evolutie van de baan en de groei van planetaire embryo's terwijl ze tijdens botsingen samensmelten tot volwaardige planeten.
Systemen in de vroege stadia van formatie ondervinden het grootste aantal inslagen vanwege de aanwezigheid van een groot aantal embryo's in onstabiele banen. Dat gezegd hebbende, zullen die in een baan ronddraaiende rode dwergen, de meest voorkomende sterren in de Melkweg, bijna twee keer zo vaak worden getroffen als die rond de tegenhangers van onze zon. Dit is veelbelovend met betrekking tot de waarschijnlijkheid dat magma-oceanen zich voordoen, maar er is een voorbehoud: de protoplaneten in dergelijke systemen bevinden zich in nauwe banen en kunnen daarom niet worden gescheiden van de straling van de ster. Bovendien zullen de botsingen minder energiek zijn en zullen de lichamen saai zijn. De potentiële waarneembaarheid wordt dus een functie van de leeftijd van de ster, het aantal inslagen en de botsingsenergie.
Gezien de frequentie waarmee de magma-oceaan voorkomt, hebben wetenschappers de evolutie en de bestaansduur van magma-oceanen berekend om veranderingen in de oppervlaktetemperatuur te bepalen, afhankelijk van de grootte van de planeet en de dikte van zijn atmosfeer, wat wordt uitgedrukt in de zogenaamde emissiviteit: hoe lager het is, hoe meer de atmosfeer isoleert.
Een artistieke voorstelling van een jonge exoplaneet die voortdurend wordt gebombardeerd door embryo's in onstabiele banen.
Grote protoplaneten met een dikke atmosfeer zullen oceanen van magma langer ondersteunen, maar ze zullen ook minder straling vertonen en zullen eerder onder het gevoeligheidsniveau van telescopen zijn. Het is belangrijk op te merken dat de waarschijnlijke samenstelling van exoprotoplaneten aanzienlijk kan verschillen van de vroege planeten van het zonnestelsel. De emissiviteit hangt dus af van een extra parameter: een verscheidenheid aan samenstellingen en massa's exoplanetaire atmosferen.
De beste plaats om te beginnen met het zoeken naar gesmolten planeten met ELT of LIFE wordt natuurlijk bepaald door de nabijheid van het zonnestelsel. De meest veelbelovende doelen zijn jonge, nabije en enorme groepen sterren. Stel je voor dat wetenschappers al een ‘geschikte’ telescoop hebben en alle individuele sterren in een associatie moeten bekijken. Zal er een gesmolten protoplaneet worden gevonden? Noch ja, noch nee. Het antwoord is statistische waarschijnlijkheid, afhankelijk van een aantal fysieke parameters.
Panoramische opname van de Carina OB1-associatie, die verschillende groepen jonge sterren bevat, zoals de Trumpler 14-cluster, waar ongeveer 2.000 sterren leven. De systemen die het dichtst bij ons staan, zoals deze, zijn het belangrijkste doelwit voor het detecteren van botsingen van protoplaneten.
De associatie β Pictoris (Beta Pictoris), 63 lichtjaar van de zon verwijderd, omvat bijvoorbeeld 31 sterren met een gemiddelde leeftijd van 23 miljoen jaar. De kans om ten minste één planeet met een oceaan van magma tussen hun planetaire systemen te detecteren, zal verwaarloosbaar zijn met een ongevoelig filter, maar kan 80% bereiken voor waarnemingen met LIFE op 5,6 micrometer of met ELT op 2,2 micrometer.
Wat betekenen deze cijfers en wat moet u nu doen?
Er resteren nog een aantal vragen. Het is bijvoorbeeld nog steeds onduidelijk of planeten rond alle sterren worden geboren en welke soorten planeten kunnen worden verwacht, afhankelijk van de klasse van de ster.
Eerdere studies, die de mogelijke waarneembaarheid van gesmolten planeten bespraken, vroegen zich af of het nagloeien van een gigantische inslag, vergelijkbaar met die welke de maan veroorzaakte, kon worden geregistreerd onder proto-aardse omstandigheden. Desalniettemin heeft een onderzoek van exoplaneten in de afgelopen decennia aangetoond dat veel van hun kenmerken (samenstelling, massa, straal, baan en andere) enorm verschillen van alles dat werd aangenomen als resultaat van het bestuderen van het zonnestelsel. Daarom verwachten wetenschappers enorme verschillen tussen de samenstellingseigenschappen van jonge protoplaneten en hun atmosferen, dat wil zeggen dat de vraag naar de potentiële waarneembaarheid van de zich vormende proto-aarde interessant is, maar niet belangrijk vanwege de onbeduidende waarschijnlijkheid van de aanwezigheid van dergelijke protoplaneten in de voorzienbare omgeving van de zon.
Duizenden sterrenstelsels die in de Melkweg leven.
Om de komende jaren dichter bij het detecteren van een gesmolten protoplaneet te komen, moeten een aantal belangrijke vragen worden beantwoord: wat zijn de typische variaties in de atmosfeer van rotsachtige planeten, hoe worden vluchtige stoffen verdeeld tussen de mantel en de atmosfeer?
Observationele campagnes zullen wetenschappers in staat stellen hun begrip van atmosferische eigenschappen en samenstellingsverdelingen te verbeteren. Bovendien zal het nodig zijn om de kenmerken van individuele sterren van de meest veelbelovende verenigingen beter te beperken: β Pictoris, Columba, TW Hydrae en Tucana-Horologium. Dit vereist de gezamenlijke inspanningen van theoretici en waarnemers, astronomen, geofysici en geochemici.
Uiteindelijk, ergens in de niet al te verre toekomst, kunnen we misschien een glimp opvangen van een stralende jonge wereld die misschien niet zo heel anders is dan ons eigen huis in het universum.
Arina Vasilieva
