Uranus 'vippe har i det vesentlige planeten som går i bane rundt solen på sin side, og rotasjonsaksen peker nesten mot solen.
(Bilde: © NASA og Erich Karkoschka, Arizona, Arizona)
Selv om planeter omgir stjerner i galaksen, forblir hvordan de danner debatt. Til tross for mengden av verdener i vårt eget solsystem, er forskere fremdeles ikke sikre på hvordan planeter er bygget. For øyeblikket trekker to teorier ut for rollen som mester.
Den første og mest aksepterte kjernetilknytning fungerer godt med dannelsen av de jordiske planetene, men har problemer med gigantiske planeter som Uranus. Den andre, diskinstabilitetsmetoden, kan forklare opprettelsen av gigantiske planeter.
"Det som skiller isgigantene fra gassgigantene er deres dannelseshistorie: under kjernevekst overskred den førstnevnte aldri [kritisk masse] i en full gasskive," skrev forskerne Renata Frelikh og Ruth Murray-Clay i en forskningsartikkel.
Kjernetildelingsmodellen
For omtrent 4,6 milliarder år siden var solsystemet en sky av støv og gass kjent som en solnebula. Tyngdekraften kollapset materialet i seg selv da det begynte å snurre og dannet solen i midten av tåken.
Med solens oppgang begynte det gjenværende materialet å klumpe seg sammen. Små partikler trakk seg sammen, bundet av tyngdekraften, til større partikler. Solvinden feide lettere elementer, for eksempel hydrogen og helium, fra de nærmere regionene, og etterlot bare tunge, steinete materialer for å skape jordlige verdener. Men lenger bort hadde solvindene mindre innvirkning på lettere elementer, slik at de kunne samles sammen til gassgiganter som Uranus. På denne måten ble asteroider, kometer, planeter og måner opprettet.
I motsetning til de fleste gassgiganter har Uranus en kjerne som er steinete enn gassformig. Kjernen dannet sannsynligvis først, og samlet deretter opp hydrogen, helium og metan som utgjør planetens atmosfære. Varme fra kjernen driver Uranus 'temperatur og vær, og overmann den varmen som kommer fra den fjerne solen, som er nesten 2 milliarder miles unna.
Noen eksoplanettobservasjoner ser ut til å bekrefte kjernetilhørighet som den dominerende formasjonsprosessen. Stjerner med mer "metaller" - et begrep astronomer bruker for andre elementer enn hydrogen og helium - i kjernene deres har flere gigantiske planeter enn deres metallfattige kusiner. Ifølge NASA antyder kjernetilknytning at små, steinete verdener burde være mer vanlig enn de mer massive gassgigantene.
2005-funnet av en gigantisk planet med en massiv kjerne som går i bane rundt den sollignende stjernen HD 149026 er et eksempel på en eksoplanett som bidro til å styrke saken for kjernetilknytning.
"Dette er en bekreftelse av kjernetilhørighetsteorien for dannelse av planeten og bevis på at planeter av denne typen skal eksistere i overflod," sa Greg Henry i en pressemelding. Henry, en astronom ved Tennessee State University, Nashville, oppdaget dimmingen av stjernen.
I 2017 planlegger det europeiske romfartsorganisasjonen å lansere karakteriseringen ExOPlanet Satellite (CHEOPS), som skal studere eksoplaneter i størrelser fra super-Earths til Neptune. Å studere disse fjerne verdenene kan hjelpe deg med å bestemme hvordan planeter i solsystemet ble dannet.
"I kjernearbeidsscenariet må kjernen til en planet nå en kritisk masse før den er i stand til å anskaffe gass på en løpende måte," sa CHEOPS-teamet. "Denne kritiske massen er avhengig av mange fysiske variabler, blant de viktigste er frekvensen av planetesimals akkresjon."
Ved å studere hvordan dyrking av planeter skaffer seg materiale, vil CHEOPS gi innsikt i hvordan verdener vokser.
Diskinstabilitetsmodellen
Men behovet for en rask formasjon for de gigantiske gassplanetene er et av problemene med kjernetilknytning. I følge modeller tar prosessen flere millioner år, lenger enn lysgassene var tilgjengelige i det tidlige solsystemet. Samtidig står kjernetilførselsmodellen overfor et migrasjonsproblem, ettersom babyplanetene sannsynligvis vil spiral inn i solen på kort tid.
"Kjempeplaneter dannes veldig fort på noen millioner år," sa Kevin Walsh, en forsker ved Southwest Research Institute i Boulder, Colorado, til Space.com. "Det skaper en tidsbegrensning fordi bensindisken rundt solen bare varer 4 til 5 millioner år."
I henhold til en relativt ny teori er diskens ustabilitet, klumper av støv og gass bundet sammen tidlig i solsystemets levetid. Over tid komprimeres disse klumpene sakte til en gigantisk planet. Disse planetene kan danne raskere enn deres kjernetilførselsrival, noen ganger i så lite som tusen år, slik at de kan fange de raskt forsvinnende lettere gassene. De når også raskt en bane-stabiliserende masse som forhindrer dem fra å marsjere inn i solen.
Når forskere fortsetter å studere planeter inne i solsystemet, så vel som rundt andre stjerner, vil de bedre forstå hvordan Uranus og søsknene dannes.
Pebble accretion
Den største utfordringen med kjernetilstand er tid - å bygge massive gassgiganter raskt nok til å ta tak i de lettere komponentene i atmosfæren. Nyere forskning på hvordan mindre, små gjenstander i småstein smeltet sammen for å bygge gigantiske planeter opptil 1000 ganger raskere enn tidligere studier.
"Dette er den første modellen som vi vet om at du starter med en ganske enkel struktur for solenheten som planetene dannes fra, og ender opp med det gigantiske planet-systemet som vi ser," studerer hovedforfatter Harold Levison, en astronom ved Southwest Research Institute (SwRI) i Colorado, fortalte Space.com i 2015.
I 2012 foreslo forskerne Michiel Lambrechts og Anders Johansen fra Lund universitet i Sverige at bittesmå småstein som en gang ble avskrevet, holdt nøkkelen til å raskt bygge gigantiske planeter.
"De viste at de resterende rullesteinene fra denne formasjonsprosessen, som tidligere ble antatt å være uviktig, faktisk kunne være en enorm løsning på det planetdannende problemet," sa Levison.
Levison og teamet hans bygde på den forskningen for å modellere mer nøyaktig hvordan de små rullesteinene kunne danne planeter sett i galaksen i dag. Mens tidligere simuleringer, både store og mellomstore gjenstander konsumerte sine småstein-søskenbarn med en relativt konstant hastighet, antyder Levisons simuleringer at de større objektene opptrådte mer som mobbere og snappet bort småstein fra de mellomstore massene for å vokse langt raskere vurdere.
"De større objektene har nå en tendens til å spre de mindre mer enn de mindre sprer dem tilbake, så de mindre ender opp med å bli spredt ut av rullesteinsdisken," studerer medforfatter Katherine Kretke, også fra SwRI, fortalte Space.com . "Den større fyren mobber i utgangspunktet den mindre, slik at de kan spise alle småsteinene selv, og de kan fortsette å vokse opp for å danne kjernene til de gigantiske planetene."
Pebble accretion er mer sannsynlig å fungere for de gigantiske planetene enn de jordiske verdenene. Ifølge Sean Raymond, fra Frankrikes universitet i Bordeaux, skyldes det at "rullesteinene" er litt større og mye lettere å holde på forbi snølinjen, den imaginære linjen hvor gassen er kald nok til å bli is.
"For småstein er det definitivt litt bedre å være forbi snølinjen," sa Raymond til Space.com.
Selv om rullesteinsaksjon fungerer bra for gassgigantene, er det noen utfordringer for isgigantene. Det er fordi de millimeter til centimeter store partiklene trekker seg ekstremt effektivt.
Frelikh og Murray-Clay skrev "De samler seg så raskt at det er vanskelig for iskjempekjerner å eksistere i omtrent de nåværende kjernemassene i en betydelig brøkdel av diskenes levetid mens de anskaffer en gasskonvolutt.
"For å unngå rømming, må de derfor fullføre veksten på et bestemt tidspunkt, når gassdisken er delvis, men ikke helt, utladet."
Paret foreslo at flertallet av gassutskillelse på kjernene i Uranus og Neptune falt sammen med bevegelsen deres bort fra solen. Men hva kan få dem til å endre hjemmet sitt i solsystemet?
En fin modell
Opprinnelig trodde forskere at planeter dannet i den samme delen av solsystemet de lever i i dag. Oppdagelsen av eksoplaneter rystet opp ting, og avslørte at i det minste noen av de mest massive gjenstandene kunne vandre.
I 2005 foreslo en trio av artikler publisert i tidsskriftet Nature at Uranus og de andre gigantiske planetene ble bundet i nesten sirkulære baner mye mer kompakte enn de er i dag. En stor skive med steiner og is omkranset dem, og strakte seg til omtrent 35 ganger jord-solavstanden, rett utenfor Neptuns nåværende bane. De kalte dette Nice-modellen, etter byen i Frankrike hvor de først diskuterte den. (Det er uttalt Neese.)
Da planetene samhandlet med de mindre kroppene, spredte de de fleste av dem mot solen. Prosessen fikk dem til å handle energi med gjenstandene, og sendte Saturn, Neptun og Uranus lenger ut i solsystemet. Etter hvert nådde de små gjenstandene Jupiter, som sendte dem fly til kanten av solsystemet eller helt ut av det.
Bevegelse mellom Jupiter og Saturn drev Uranus og Neptun inn i enda mer eksentriske baner, og sendte paret gjennom den gjenværende skiven med is. Noe av materialet ble kastet innover, hvor det krasjet inn i de landlige planetene under Late Heavy Bombardment. Annet materiale ble kastet utover og skapte Kuiper Belt.
Da de beveget seg sakte utover, handlet Neptune og Uranus steder. Etter hvert fikk interaksjoner med det gjenværende rusk paret til å sette seg i mer sirkulære stier når de nådde sin nåværende avstand fra solen.
Underveis er det mulig at en eller til og med to andre gigantiske planeter ble sparket ut av systemet. Astronom David Nesvorny fra Southwest Research Institute i Colorado har modellert det tidlige solsystemet på jakt etter ledetråder som kan føre til forståelse av dets tidlige historie.
I de første dagene var solsystemet veldig annerledes, med mange flere planeter, kanskje like massive som Neptun, og dannet og ble spredt til forskjellige steder, "sa Nesvorny til Space.com.
En farlig ungdom
Det tidlige solsystemet var en tid med voldelige kollisjoner, og Uranus var ikke fritatt. Mens overflaten av månen og Merkur begge viser bevis på bombardement av mindre bergarter og asteroider, fikk Uranus tilsynelatende en betydelig kollisjon med en jordstørrelse protoplanet. Som et resultat er Uranus tippet på sin side, med en stolpe som peker mot solen i halve året.
Uranus er den største av isgigantene, kanskje delvis fordi den mistet noe av massen sin under påvirkningen.
