Universets store mysterier drejer sig ofte omkring fjerne, usynlige fænomener. Forskere puslespil over uforklarlige bursts af radiobølger, tyngdekraftenes undvigende natur og om mørk energi gennemsyrer kosmos. Men andre gåder kan findes i vores eget hjørne af galaksen og stirre os lige i ansigtet - som hvordan Jorden blev den planet, den er i dag.
Dette spørgsmål fascinerer fortsat forskere, der arbejder for at forstå, hvordan Jorden dannede sig, og hvorfor den er så velegnet til at være vært for livet. Det kunne have vist sig anderledes - se bare på vores nærmeste nabo og næsten tvilling, Venus, som ikke har noget flydende vand, og hvis overflade er en svulmende 870 grader Fahrenheit. ”Venus og Jorden er slags den ultimative kontroltilfælde, ” siger Sue Smrekar fra NASAs Jet Propulsion Laboratory. ”Vi forstår ikke fuldstændigt, hvordan Jorden endte så beboelig og Venus så ubeboelig.”
Det er lidt overraskende, i betragtning af at Jorden er den langt mest studerede planet i universet. Men geologiske processer som pladetektonik genanvender konstant bevis for fortiden, og meget af den kritiske information om Jordens makeup ligger skjult i dens store, utilgængelige dybder. ”Du prøver at forstå en planet, som du kun kan prøve på overfladen, ” siger James Badro, en geofysiker ved Institut for Jordfysik i Paris. Selvom forskere har samlet et væld af viden fra at studere jorden under vores fødder, forbliver den fulde historie om Jordens konstruktion og udvikling ukendt.
Så forskere har vendt sig til himlen for at få hjælp. De har undersøgt andre stjernesystemer på udkig efter ledetråde og søgt efter jordklodsen blandt solsystemets detritus. Nu kan en pakke med planlagte og foreslåede rumopgaver hjælpe forskere med at udfylde flere af de manglende stykker.
Fra at studere nye aspekter af protoplanetære organer til at slå ud, hvor de kom fra, og hvordan de blev blandet sammen, håber forskere at fastlægge de processer med planetdannelse, der skabte Jorden. For mange er det lige så meget en filosofisk søgen som en videnskabelig. ”Det er et spørgsmål om vores oprindelse, ” siger Badro.
En kunstners indtryk af en foreslået mission til Psyche, en asteroide, der antages at være helt metal. (NASA / JPL-Caltech) De fleste forskere er nu enige om vores solsystemers generelle historie. Det begyndte for 4, 6 milliarder år siden, da en enorm sky af gas og støv, der flydede i rummet, kollapsede på sig selv, måske udløst af chokbølgen fra en nærliggende supernova. Den udfladede sky skyvede derefter ind i en spindisk disk, hvorfra - cirka 100 millioner år senere - vores solsystem opstod i mere eller mindre sin nuværende tilstand: solen omgivet af otte planeter og utallige mindre kroppe spredt overalt.
De finere detaljer om, hvordan vores kosmiske kvarter dannede sig, forbliver imidlertid kontroversielle. For eksempel diskuterer forskere stadig, hvad planeterne er lavet af. ”Vi ved, hvordan kagen ser ud, ” siger Lindy Elkins-Tanton fra Arizona State University, ”men vi vil gerne vide, hvordan alle disse individuelle ingredienser ser ud, ” siger hun.
Videnskabsmænd mener, at de jordiske planeter voksede ved at gabbe op i mindre planetesimaler - genstande op til ti miles i diameter, der akkumulerede fra protoplanetært støv. Men sammensætningen og strukturen af disse planetesimaler har været vanskelig at bestemme. At studere vores samling af meteoritter - fragmenter af asteroider, der er faldet til Jorden - er et godt sted at starte, siger Francis Nimmo, en planetvidenskabsmand ved University of California, Santa Cruz. Men det er ikke nok.
Det skyldes, at vi ikke nødvendigvis har prøver af alt, hvad der gik ind i planeterne - nogle komponenter mangler muligvis eller findes måske ikke længere overhovedet. Nogle meteoritter ser ud til at være en anstændig match for Jorden, men forskere kan ikke komme med nogen kombination af meteorittyper, der fuldt ud forklarer Jordens kemiske sammensætning. ”Dette er lidt ubehageligt, fordi det betyder, at vi ikke rigtig ved, hvordan Jorden blev sat sammen, ” siger Nimmo.
Elkins-Tanton håber, at en foreslået fremtidig mission - en af fem finalister til NASAs Discovery-program - muligvis kan hjælpe. Projektet, ledet af Elkins-Tanton, ville sende et ubemandet rumfartøj for at besøge et objekt kaldet Psyche, der sidder i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter. Psyche er omtrent 150 mil bred og, baseret på fjerntliggende observationer af dens densitet og overfladesammensætning, ser det ud til at være fremstillet af massivt metal. Det kan også ligne jordens byggesten.
”Dette kan være den lille kerne i en krop, der blev dannet i den jordiske planetdannende region og lige blev ramt af en masse andre ting og fik dens klippeformede ydre fjernet, ” siger Elkins-Tanton. På NASAs Dawn-mission studerede forskere asteroiden Vesta, en protoplanet, der sandsynligvis også dannede sig i nærheden af Jorden og derefter fik sparket ud i asteroidebæltet. Det er dog den unikke mulighed for at se, hvad der ligger under overfladen af genstande som Vesta, der har Elkins-Tanton begejstret.
”Psyche er det eneste legeme i solsystemet, der giver os mulighed for direkte at observere en metalkerne, ” siger hun. ”Dette kan være vores eneste chance for at se på denne slags ingrediens.” Sammen med de andre Discovery-finalister finder Elkins-Tanton og hendes kolleger i september ud af, om missionen er gået.
I henhold til den klassiske model for planetdannelse, når planetesimals nåede Psyche's størrelse - ti til hundreder af miles over - begyndte de at kannibalisere deres naboer, siger Kevin Walsh, en planetvidenskabsmand ved Southwest Research Institute i Boulder, Colorado. ”De største vokser virkelig hurtigt, ” siger han takket være deres stigende tyngdekraftpåvirkning.
Denne proces med løbsk tiltrædelse ville have vundet antallet af kroppe i solsystemet til måske hundrede måne- til Mars-store planetembryoer og en smadring af mindre affald. Over tid kombineres disse embryoner langsomt til dannelse af planeter.
Men selvom denne forklaring fungerer godt for de jordiske planeter, hvilket geologiske bevis antyder dannet i løbet af 30 til 100 millioner år, udgør det et problem for gasgiganterne som Jupiter. Forskere mener, at kernerne i disse kroppe måtte vokse meget hurtigere - hurtigt nok til at fange deres massive atmosfærer fra den gas, der var til stede i det tidlige solsystem, som spredte sig på kun et par millioner år.
I løbet af det sidste årti har forskere udviklet en alternativ mekanisme til dyrkning af planeter, der er kendt som rullesten. Det repræsenterer en skarp afvigelse fra den konventionelle akkretionsmodel, hvor genstande kombineres for at danne gradvist større partikler. Eller, som Hal Levison, Walshs kollega, udtrykker det: ”Stensten fremstiller buldre, og stenesten gør bjerge - hele vejen op.” På den anden side forudsiger rullesteinsindgreb, at genstande vokser fra knobhovedstørrelser til Pluto-store kroppe næsten øjeblikkeligt og derefter fortsætte med at vinde masse, siger Levison, der hjalp med at udvikle hypotesen.
Processen ville være begyndt kort efter dannelsen af den protoplanetære disk, da støvstykker, der kredsede rundt om den unge sol, begyndte at kollidere og klæbe sammen, som synkroniserede skatere, der sammenføjede hænderne, mens de cirkler om en skøjtebane. Til sidst ville aerodynamiske kræfter og tyngdekraften have trukket store klynger af disse småsten sammen og dannet planetesimaler. Planetesimerne fortsatte derefter med at feje de resterende småsten omkring dem og voksede hurtigt indtil de dannede planeter.
På toppen af spørgsmålet om, hvordan gasgiganter voksede så hurtigt, giver modellen også en måde at overvinde noget, der kaldes meterstørrelsen, som har plaget modeller af planetarisk akkretion, siden den først blev skitseret i 1970'erne. Det henviser til det faktum, at når genstande når omkring tre meter i diameter, ville friktion frembragt af den omgivende gas have sendt dem spiralformet ind i solen. Pebble-optagelse hjælper med at kaste små partikler over tærsklen, hvilket gør dem store nok til at holde deres egne.
Forskere forsøger stadig at forstå, om denne proces skete i hele solsystemet, og om den ville have spillet på samme måde for de indre og ydre planeter. (Mens det fungerer for gasgiganterne, passer de senere stadier af hurtig vækst ikke med det, vi ved om jordbaseret planetdannelse). Men forskere kan muligvis finde nogle ledetråde senere på året, når NASAs Juno-mission, der med succes nåede Jupiter i sidste måned, begynder at indsamle information om klodens sammensætning og kerne.
Walsh siger at finde ud af, hvor meget materiale der ligger i midten af gasgiganten, det vil hjælpe forskere med at begrænse forskellige modeller for planetarisk akkretion. Hvis Jupiter har en lille kerne, kunne klassisk akkretion have været i stand til at opbygge den hurtigt nok; hvis den er stor, kan det muligvis indebære, at der i stedet fandt noget som småsten tiltrædelse, siger han.
Jupiter og dens måner Io, Europa og Ganymede som fotograferet af Juno-missionen kort efter, at rumfartøjet kom ind i kredsløb omkring gasgiganten. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) At forstå, hvordan Jupiter dannede, vil også hjælpe forskere med at forstå oprindelsen af de andre planeter, herunder Jorden. Det skyldes, at Jupiter er blevet beskyldt for at have blandet sig med konstruktionen af de indre stenede planeter, i det mindste ifølge en ny idé udviklet af Walsh og andre, der har fået trækkraft i de senere år.
Hypotesen, kendt som Grand Tack-modellen, antyder, at når Jupiter var færdig med at danne, ville den have ryddet alt materialet i sin bane rundt om solen og effektivt skåret et hul i den protoplanetære disk. Disken indeholdt dog stadig masser af gas og støv, som pressede ind mod solen, mens disken fladt ud og strakte sig, siger Walsh.
Jupiters kløft blokerede effektivt for strømmen af dette materiale, og planeten blev "fanget i oversvømmelsesvandene, " siger Walsh. Den vandrede ind til omkring Mars 'bane med Saturn tæt på sine hæle. Men efterhånden som Saturn fulgte, trak den efter nok materiale til at tilslutte disken igen. Dette frigav presset, der pressede på Jupiter, så begge planeter kunne migrere tilbage ud igen, alt inden for et par hundrede tusind år. Modellen blev inspireret af observationer af underligt ordrede planeter i andre solsystemer, der antyder, at sådanne vandringer er almindelige, siger Walsh.
For resten af solsystemet ville dette have været noget som et par tyre i en kosmisk porcelænsbutik. Stumper af affald fra det indre solsystem ville have fået sparket ud, mens rod fra det ydre system ville have fået trukket ind, siger Walsh. Modellen hjælper med at forklare Mars 'rundstørrelsesdimension og antallet og mangfoldigheden af kroppe, der findes i dag i asteroidebæltet.
Det giver også en mulig forklaring på, hvordan de jordiske planeter fik deres vand. Ifølge Grand Tack ville migrationen af gasplaneten have fundet sted, mens de jordiske planeter stadig var under dannelse, og kunne have kastet vandrigt materiale fra det ydre solsystem til blandingen. Walsh og mange andre forskere mener, at kulstofholdige asteroider, som kan have dannet sig ud over Jupiter, var de vigtigste køretøjer til levering af vand til Jorden.
I september lancerer NASA en mission for at besøge en sådan asteroide ved navn Bennu. Walsh er en medundersøger på projektet, kaldet OSIRIS-REx, som vil studere kroppen langvejs fra før han griber en prøve for at bringe tilbage til Jorden. En lignende mission fra det japanske rumfartsagentur, kaldet Hayabusa 2, er på vej til at prøve en anden kulstofholdig asteroide i 2018.
Forskere håber at lære mere om, hvor disse asteroider kom fra, og om de faktisk er kilden til en klasse af meteoritter, der er kendt som kulstofholdige kondritter. De håber også, at undersøgelse af en uberørt prøve - snarere end et meteoritfragment - vil hjælpe med at afsløre, om disse genstande ikke kun leverede vand til Jorden, men de organiske forbindelser, der kan have fungeret som forløbere for livet.
Da OSIRIS-REx vender tilbage til Jorden, kunne den krydse stier med Lucy, en anden foreslået mission, der ligesom Psyche er en finalist i Discovery-programmet. Under ledelse af Levison sigter Lucy efter at udforske den sidste store ryster, der rystede vores solsystem - en planetarisk tango, der begyndte omkring 500 millioner år efter Grand Tack. Det var da Pluto, ifølge en hypotese fra Levison m.fl., udløste en ustabilitet, der fik Neptun til at hoppe uden for Uranus og de ydre gasgiganter vandrede væk fra solen til deres nuværende positioner.
Denne forstyrrelse, kendt som Nice-modellen, ville have sendt et regn af affald, der smittede ind i det indre solsystem, muligvis forklarende en klynge af slag, der blev dannet i en periode, der blev kendt som den lette tunge bombardement. De jordiske planeter, ligesom Jorden, var for det meste dannet af dette punkt, så begivenheden påvirkede ikke deres sammensætning markant. Men det kan have kastet en kurve på forskere, der forsøgte at forstå, hvordan solsystemet udviklede sig. Forstyrrelsen kan have kastet genstande ind i det indre solsystem, der ikke havde nogen forbindelse til de materialer, der udgør hovedparten af de jordiske planeter, siger Walsh.
Lucy kunne hjælpe forskere med at finde ud af, hvad der virkelig skete, og give dem mulighed for at skille sig ud af hvad der blandede sig hvor. Det ville opnå dette ved at undersøge en gruppe asteroider, der låst inde i Jupiters bane. Disse genstande, kendt som de joviske trojanere, er en blanding af kroppe, der dannedes i hele det ydre solsystem og derefter blev smidt sammen under vandringen.
I midten af 2020'erne, når missionen ville nå dem, vil trojanerne være orienteret i den rigtige konfiguration for et rumfartøj for at gøre en storslået rundvisning i seks kroppe. ”Jeg har tilbedt himmelmekanikernes guder i hele min karriere, ” siger Levison, en planetarisk dynamik. ”De besluttede at betale mig tilbage, fordi planeterne bogstaveligt talt er på linje.”
Levison siger, at studiet af trojanerne på nært hold vil give forskerne en klarere idé om, hvordan Nice-modellen blandede sig, og kunne også give en test på rullestenens tiltrædelse. Hypotesen forudsiger, at noget mindre end ca. 60 miles overfor faktisk burde være et fragment af en større krop. Det er en forudsigelse, som Lucy skal kunne teste.
En kunstners indtryk af overfladen på Venus, hvor temperaturerne er en skånsom 870 grader Fahrenheit. (ESA / AOES Medialab) Sammen ser disse missioner ud til at øge videnskabernes forståelse af Jordens oprindelse, sandsynligvis på måder som forskere ikke engang kan forestille sig endnu. Når alt kommer til alt kræver det at opbygge et robust billede af planetdannelse at kombinere data fra mange forskellige kilder, siger David Stevenson, en planetvidenskabsmand ved Caltech.
Vi har dog stadig en lang vej at gå, før vi forstår, hvad der gør Jorden og Venus så forskellige. ”Det er næsten en forlegenhed, at vi her sidder på Jorden, og vi har denne store nærmeste planet til os, som vi er så uvidende om, ” siger Stevenson. ”Grunden til, at vi er så uvidende, er, at det er forbandet varmt!”
Faktisk har de helvede forhold på Venus 'overflade stødt bestræbelserne på at studere planeten i detaljer. Rusland formåede at lande en række rumfartøjer på overfladen mellem 1960'erne og 80'erne. De overlevede kun i nogle få timer og sendte korte blink med data, før de bukkede efter for varmen. Men disse og andre missioner, ligesom NASAs Pioneer og Magellan, som studerede planeten langvejs, gav glimt ind i planetens funktionsmåder.
Vi ved for eksempel, at Venus har en intens drivhusatmosfære, der næsten udelukkende er lavet af kuldioxid, og at det ser ud til at have mistet det meste af sit overfladevand. Det kan være det, der forhindrer pladetektonik i at forekomme der - vand menes at smøre hjulene på undertrådende plader. Det kan også forklare, hvorfor Venus mangler et geomagnetisk felt, som mange videnskabsmænd anser for at være en nødvendighed for livet, fordi det afskærmer planeten mod solvindens herjinger. Geomagnetiske felter produceres ved konvektion i kernen af en krop, siger Nimmo, og er afhængige af mantelcirkulation - ofte bundet til pladetektonik - for at transportere varmen væk.
Hvad forskere ønsker mere end noget andet, er prøver af Venus 'overfladebergarter, men det er stadig et fjernt mål. I en overskuelig fremtid bliver forskere nødt til at nøjes med mere fjernobservationer, som dem fra en nuværende japansk mission. Tidligere i år begyndte Akatsuki-rumfartøjet endelig med at videresende data fra sin bane omkring Venus efter en ikke-planlagt fem-årig omvej omkring solen.
Derudover overvejer NASA to yderligere Venus-centrerede missioner, der også er Discovery-finalister. Et projekt, kaldet VERITAS, ledes af Smrekar og ville involvere en orbiter, der er i stand til at studere planetens geologi i high definition. Den anden foreslåede mission, ledet af Lori Glaze fra Goddard Space Flight Center, ville analysere Venus 'unikke atmosfære ved hjælp af en sonde kaldet DAVINCI.
Håbet er, at disse bestræbelser vil afsløre, hvorfor Venus udviklede sig, som den gjorde, og dermed hvad der gør Jorden anderledes. I øjeblikket tror mange forskere Jorden og Venus sandsynligvis dannet af omtrent det samme materiale, som derefter divergerede over tid takket være flere faktorer. Disse inkluderer deres forskellige nærhed til solen, og det faktum, at Jorden oplevede en større kollision relativt sent i sin historie - virkningen, der dannede månen - som ville have smeltet meget af planeten igen og potentielt ændret dens dynamik.
Men indtil vi ved mere om, hvordan planeterne i vores solsystem dannes, og hvilke processer der formede deres udvikling, vil vi ikke vide, hvad der adskiller en gæstfri planet fra en karrig plan, siger Walsh. ”Vi har teleskoper i rummet, der jager jordstørrede planeter omkring andre stjerner, men vi har ingen anelse om en planet vil udvikle sig til en Venus eller til en jord, ” siger han. ”Og det er hele bolden, på et eller andet niveau.”
