Големите мистерии на Вселената често се въртят около далечни, невидими явления. Учените озадачават необяснимите изблици на радиовълни, неуловимата природа на гравитацията и дали тъмната енергия прониква в Космоса. Но други загадки могат да бъдат намерени в нашия собствен ъгъл на галактиката, гледайки ни право в лицето - като това как Земята стана планетата, каквато е днес.
Този въпрос продължава да очарова изследователи, работещи, за да разберат как се е образувала Земята и защо тя е толкова подходяща за прием на живот. Можеше да се окаже различно - просто погледнете най-близката ни съседка и почти близначка, Венера, която няма течна вода и чиято повърхност е набъбнала 870 градуса по Фаренхайт. „Венера и Земята са един от най-добрите случаи на контрол“, казва Сю Смрекар от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА. "Ние не разбираме напълно как Земята е станала толкова обитаема, а Венера толкова необитаема."
Това е малко изненадващо, като се има предвид, че Земята е най-добре проучената планета във Вселената. Но геоложки процеси като тектоника на плочите постоянно рециклират доказателства за миналото и голяма част от критичната информация за състава на Земята се крие в нейните огромни, недостъпни дълбочини. „Опитвате се да разберете планета, която можете да пробите само на повърхността“, казва Джеймс Бадро, геофизик от Института по земна физика в Париж. Въпреки че учените събраха богатство от знания от проучването на земята под краката ни, пълната история за строителството и развитието на Земята остава неизвестна.
Така изследователите са се обърнали към небето за помощ. Те са изследвали други звездни системи, търсещи улики, и са търсили градивите на Земята сред детрита на Слънчевата система. Сега набор от планирани и предложени космически мисии може да помогне на учените да попълнят повече от липсващите части.
От изучаването на нови аспекти на протопланетарните тела до затопяването откъде са дошли и как са се смесили, изследователите се надяват да ограничат процесите на планетарно образуване, създали Земята. За мнозина това е толкова философски стремеж, колкото научен. „Това е въпрос на нашия произход“, казва Бадро.
Впечатление на художник от предложена мисия на Психея, астероид, който се смята за изцяло метал. (НАСА / JPL-Caltech) Повечето изследователи сега са съгласни с общата история на нашата Слънчева система. Той започна преди 4, 6 милиарда години, когато огромен облак газ и прах, плаващи в космоса, се срина върху себе си, може би предизвикан от ударната вълна на близка супернова. След това сплесканият облак се завъртя във въртящ се диск, от който - около 100 милиона години по-късно - нашата Слънчева система изплува в повече или по-малко от сегашното си състояние: Слънцето, заобиколено от осем планети и безброй по-малки тела, разпръснати навсякъде.
По-фините подробности за това как се е формирал космическият ни квартал обаче остават спорни. Например, учените все още спорят от какво са направени планетите. "Ние знаем как изглежда тортата", казва Линди Елкинс-Тантон от Аризонския държавен университет, "но бихме искали да знаем как изглеждат всички тези отделни съставки", казва тя.
Учените смятат, че земните планети са се разраснали, като са издигали по-малки планетимаси - предмети с диаметър до десетки мили, натрупани от прапланетарния прах. Но съставът и структурата на тези пластезимали е трудно да се определи. Изучаването на нашата колекция от метеорити - фрагменти от паднали на Земята астероиди - е добро място за начало, казва Франсис Ниммо, планетарен учен от Калифорнийския университет в Санта Крус. Но не е достатъчно.
Това е така, защото не е задължително да имаме проби от всичко, което е влязло в планетите - някои компоненти може да липсват или изобщо да не съществуват. Някои метеорити изглеждат прилично съвпадение за Земята, но учените не могат да измислят комбинация от видове метеорити, която да обясни напълно химическия състав на Земята. „Това е някак неудобно, защото означава, че всъщност не знаем как е била събрана Земята“, казва Ниммо.
Елкинс-Тантън се надява, че предложената бъдеща мисия - един от петимата финалисти на програмата НАСА за откриване - може да бъде в състояние да помогне. Проектът, ръководен от Елкинс-Тантон, ще изпрати безпилотен космически кораб да посети обект, наречен Психея, който седи в астероидния пояс между Марс и Юпитер. Психеята е широка приблизително 150 мили и въз основа на отдалечени наблюдения на нейната плътност и състав на повърхността изглежда е направена от твърд метал. Може също да наподобява градивните елементи на Земята.
„Това може да е малкото ядро на тяло, което се е формирало в земния планетообразуващ регион и току-що е ударено от много други неща и е било отстранено скалистата му външност“, казва Елкинс-Тантън. По време на мисията на зората на НАСА учените изучиха астероида Веста - протопланета, която също вероятно се е образувала близо до Земята и след това е била изхвърлена в астероидния пояс. Въпреки това, това е уникалната възможност да видите какво се крие под повърхността на предмети като Веста, които вълнува Елкинс-Тантон.
„Психеята е единственото тяло в Слънчевата система, което ни позволява директно да наблюдаваме метално ядро“, казва тя. „Това може да е единственият ни шанс да разгледаме този вид съставки.“ Наред с останалите финалисти на Discovery, Елкинс-Тантон и нейните колеги ще разберат през септември дали мисията е замислена.
Според класическия модел на планетарно формиране, след като планетесималите достигнат размерите на Психея - десетки до стотици мили - те започнаха да канибализират своите съседи, казва Кевин Уолш, планетарен учен от Югозападния изследователски институт в Боулдър, Колорадо. „Най-големите растат наистина бързо“, казва той, благодарение на увеличаващото се гравитационно влияние.
Този процес на бягство от натрупване би довел до значението на броя на телата в Слънчевата система до може би сто планетични ембриони с размер на Луната до Марс и малкото отломки. С течение на времето тези ембриони бавно се комбинират, за да образуват планети.
Но макар това обяснение да работи добре за земните планети, което според геоложките данни се формира в течение на 30 до 100 милиона години, то представлява проблем за газовите гиганти като Юпитер. Учените смятат, че сърцевините на тези тела трябва да растат много по-бързо - достатъчно бързо, за да улавят огромната си атмосфера от газа, присъстващ в ранната Слънчева система, който се разсейва само за няколко милиона години.
През последното десетилетие изследователите са разработили алтернативен механизъм за отглеждане на планети, известен като аккреция от камъчета. Той представлява рязко отклонение от конвенционалния модел на нарастване, при който обектите се комбинират, за да образуват прогресивно по-големи частици. Или, както казва Хал Левисън, колегата на Уолш: „Камъчетата правят камъни, а камъните правят планини - докрай нагоре.“ Натрупването на камъчета, от друга страна, предсказва, че обектите растат от бучки с размер на юмрук до тела с размер на Плутон почти веднага и след това продължете да набирате маса, казва Левисън, който помогна за разработването на хипотезата.
Процесът щеше да започне малко след формирането на протопланетарния диск, когато парченца прах, обикалящ около орбитата на младото слънце, започнаха да се сблъскват и да се слепват, като синхронизирани скейтъри, които се присъединяват към ръцете, докато обикалят ледена пързалка. В крайна сметка аеродинамичните и гравитационните сили щяха да обединят големи струпвания от тези камъчета, образувайки пластезимали. След това планетесималите продължиха да пометат останалите камъчета около тях, като бързо нарастваха, докато не образуваха планети.
Освен отговора на въпроса как газовите гиганти растат толкова бързо, моделът предоставя и начин за преодоляване на нещо, наречено бариера с размери на метъра, която порази модели на планетарно натрупване, тъй като за първи път е очертана през 70-те години. Той се отнася до факта, че щом предметите достигнат диаметър около три фута, триенето, генерирано от околния газ, би ги изпратило спирално на слънцето. Натрупването на камъчета помага да се изхвърлят малки прахови частици над прага, което ги прави достатъчно големи, за да държат своето.
Учените все още се опитват да разберат дали този процес се е случил в цялата Слънчева система и дали би играл по същия начин за вътрешната и външната планета. (Въпреки че работи за газовите гиганти, по-късните етапи на бърз растеж не съответстват на това, което знаем за формирането на земните планети). Но изследователите може да намерят някои улики по-късно тази година, когато мисията на Джуно на НАСА, която успешно достигна Юпитер миналия месец, започва да събира информация за състава и ядрото на планетата.
Уолш казва, че измислянето на това колко материал се намира в центъра на газовия гигант ще помогне на изследователите да ограничат различни модели на планетарно натрупване. Ако Юпитер има малко ядро, класическото натрупване може би би могло да го изгради достатъчно бързо; ако е голям, това може да означава, че вместо него е имало натрупване на камъчета, казва той.
Юпитер и неговите луни Io, Europa и Ganymede, заснети от мисията Juno, малко след като космическият апарат влезе в орбита около газовия гигант. (НАСА / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Разбирането на формирането на Юпитер също ще помогне на изследователите да разберат произхода на другите планети, включително Земята. Това е така, защото Юпитер е обвинен, че се меси в изграждането на вътрешните скални планети, поне според нова идея, разработена от Уолш и други, придобила сцепление през последните години.
Хипотезата, известна като модела Grand Tack, предполага, че след като Юпитер завърши формирането, той би изчистил целия материал по пътя си около слънцето, ефективно издълбавайки празнина в протопланетарния диск. Дискът обаче все още съдържа много газ и прах, които се притискат към слънцето, докато дискът се изравнява и разтяга, казва Уолш.
Пропастта на Юпитер ефективно блокира притока на този материал и планетата се „улови във водните води“, казва Уолш. Той мигрира около орбитата на Марс със Сатурн близо до петите. Но докато последва Сатурн, тя изтегли достатъчно материал, за да свърже отново диска. Това освободи натиска върху Юпитер, като позволи на двете планети да мигрират отново навън, всичко това в рамките на няколкостотин хиляди години. Моделът е вдъхновен от наблюдения на странно подредени планети в други слънчеви системи, които предполагат, че подобни миграции са чести, казва Уолш.
За останалата част от Слънчевата система това би било нещо като двойка бикове в магазин за космически Китай. Откъслеците от вътрешната слънчева система щяха да бъдат изхвърлени, докато струпването от външната система щеше да се завлече, казва Уолш. Моделът помага да се обяснят размерите на размери на Марс и броя и разнообразието на телата, открити днес в астероидния пояс.
Той също така дава възможно обяснение за това как земните планети са получили водата си. Според Grand Tack миграцията на газовата планета щеше да се осъществи, докато земните планети все още се образуваха и биха могли да хвърлят богат на вода материал от външната слънчева система в сместа. Уолш и много други учени смятат, че въглеродните астероиди, които може би са се образували отвъд Юпитер, са били основните средства за доставка на вода на Земята.
Този септември НАСА ще стартира мисия да посети един такъв астероид на име Bennu. Уолш е съвместен изследовател по проекта, наречен OSIRIS-REx, който ще изследва тялото отдалеч, преди да вземе проба, която да се върне на Земята. Подобна мисия на японската космическа агенция, наречена Hayabusa 2, е на път да направи проба на друг въглероден астероид през 2018 г.
Учените се надяват да научат повече за това откъде идват тези астероиди и дали те наистина са източник на клас метеорити, известни като карбонатни хондрити. Те също така се надяват, че изучаването на девствена проба - вместо метеоритен фрагмент - ще помогне да се разкрие дали тези обекти са доставяли не само вода на Земята, но и органичните съединения, които може да са служили като предшественици за живота.
Тъй като OSIRIS-REx се завръща на Земята, тя може да пресече пътища с Люси, друга предложена мисия, която, подобно на Psyche, е финалист в програмата Discovery. Водена от Левисън, Люси има за цел да проучи последното голямо разтърсване, разтърсило слънчевата ни система - планетарно танго, започнало около 500 милиона години след Гранд така. Точно тогава, според хипотеза на Левисън и други, Плутон предизвика нестабилност, която накара Нептун да се откаже от Уран и външните газови гиганти да мигрират далеч от слънцето до сегашните си позиции.
Това смущение, известно като модел от Ница, щеше да изпрати дъжд от отломки, нахлуващи във вътрешната слънчева система, вероятно обясняващи куп въздействия, образувани през период, известен като Късната тежка бомбардировка. Земните планети, като Земята, са се образували предимно от тази точка, така че събитието не се отрази значително на техния състав. Но това може да е хвърлило крива топка към учените, които се опитват да разберат как се развива слънчевата система. Прекъсването може да е хвърлило обекти във вътрешната слънчева система, които нямат връзка с материалите, съставляващи по-голямата част от земните планети, казва Уолш.
Люси би могла да помогне на учените да разберат какво наистина се е случило и да им позволят да разплитат какво се смесват къде. Това ще се постигне чрез изследване на група астероиди, затворени в орбитата на Юпитер. Тези обекти, известни като троянци Джовиан, представляват смес от тела, които са се образували в цялата външна Слънчева система и след това са били хвърлени заедно по време на миграцията.
В средата на 2020-те, когато мисията ще ги достигне, троянците ще бъдат ориентирани в точно подходящата конфигурация за космически кораб, който да направи грандиозна обиколка от шест тела. „Покланям се на небесните богове на механиката през цялата си кариера“, казва Левисън, планетарен динамик. „Решиха да ми платят, защото планетите буквално се изравняват.“
Левисън казва, че изучаването на троянците отблизо ще даде на изследователите по-ясна представа за това как е станало смесването на модела в Ница и също така би могло да предостави тест за натрупване на камъчета. Хипотезата предвижда, че всичко по-малко от около 60 мили всъщност трябва да бъде фрагмент от по-голямо тяло. Това е прогноза, която Люси трябва да може да тества.
Впечатление на художника от повърхността на Венера, където температурите са балсави 870 градуса по Фаренхайт. (ESA / AOES Medialab) Заедно тези мисии изглеждат готови за по-нататъшно разбиране на учените за произхода на Земята, вероятно по начин, който изследователите все още не могат да си представят. В крайна сметка, изграждането на стабилна картина на планетарното формиране изисква комбиниране на данни от много различни източници, казва Дейвид Стивънсън, планетарен учен от Caltech.
Въпреки това, все още ни предстои дълъг път, преди да разберем какво прави Земята и Венера толкова различни. "Почти е неудобно, че тук сме, седнали на Земята, и имаме тази най-близка до нас планета, за която сме толкова невежи", казва Стивънсън. „Причината да сме толкова невежи е, че е дяволско горещо!“
Всъщност адските условия на повърхността на Венера стимулираха усилията да се изучи подробно планетата. Русия успя да кацне серия космически кораби на повърхността между 60-те и 80-те години. Те оцеляха само няколко часа и предадоха кратки проблясъци от данни, преди да се поддадат на жегата. Но тези и други мисии, като пионерите на НАСА и Магелан, които изучаваха планетата отдалеч, дадоха поглед върху работата на планетата.
Знаем например, че Венера има интензивна парникова атмосфера, изградена почти изцяло от въглероден диоксид и сякаш е загубила по-голямата част от повърхностните си води. Това може би не позволява тектониката на плочите да се появи там - смята се, че водата омазнява колелата на поглъщащите плочи. Това може също да обясни защо на Венера липсва геомагнитно поле, което много учени смятат за необходимост за живота, защото предпазва планетата от опустошенията на слънчевия вятър. Геомагнитните полета се произвеждат чрез конвекция в сърцевината на тялото, казва Ниммо и разчитат на циркулацията на мантията - често обвързана с тектониката на плочите - за транспортиране на топлина.
Това, което учените искат повече от всичко, са проби от повърхностните скали на Венера, но това си остава далечна цел. В обозримо бъдеще изследователите ще трябва да се примирят с по-отдалечени наблюдения, като тези от настояща японска мисия. По-рано тази година космическият апарат Akatsuki най-накрая започна да предава данни от своята орбита около Венера след непланирано петгодишно заобикаляне около Слънцето.
Освен това НАСА обмисля още две свои мисии, ориентирани към Венера, които също са финалисти на Discovery. Един проект, наречен VERITAS, се ръководи от Smrekar и би включвал орбитър, способен да изучава геологията на планетата във висока детайлност. Втората предложена мисия, ръководена от Лори Глейз от Центъра за космически полети Годард, ще анализира уникалната атмосфера на Венера, използвайки сонда, наречена DAVINCI.
Надеждата е, че тези усилия ще разкрият защо Венера се е развила по начина, по който е направила, и по този начин това, което прави Земята различна. В момента много изследователи смятат, че Земята и Венера вероятно са се образували от приблизително един и същ материал, след което са се разминавали във времето благодарение на няколко фактора. Те включват различната им близост до Слънцето и факта, че Земята претърпя голям сблъсък сравнително късно в историята си - въздействието, образуващо Луната - което щеше да разтопи голяма част от планетата и потенциално да промени нейната динамика.
Но докато не разберем повече за това как са се образували планетите в нашата Слънчева система и какви процеси са формирали тяхната еволюция, няма да знаем какво различава гостоприемна планета от безплодна, казва Уолш. „Имаме телескопи в космоса, които ловуват планети с размер на Земята около други звезди, но нямаме представа дали една планета ще се превърне във Венера или в Земя“, казва той. "И това е цялата игра с топка, на някакво ниво."
