Velike misterije svemira često se vrte oko dalekih, nevidljivih pojava. Znanstvenici se slagali oko neobjašnjivih rafala radio valova, neuhvatljive prirode gravitacije i da li tamna energija prožima kozmos. Ali druge enigme možemo pronaći u našem vlastitom kutku galaksije, gledajući nas pravo u lice - poput toga kako je Zemlja postala planet kakav je danas.
Ovo pitanje i dalje fascinira istraživače koji rade kako bi shvatili kako se formirala Zemlja i zašto je ona tako pogodna za život u domaćinstvu. Moglo se i drugačije ispasti - samo pogledajte našeg najbližeg susjeda i gotovo blizanca, Veneru, koja nema tekuću vodu i čija je površina brzih 870 stupnjeva Farenheita. "Venera i Zemlja su konačan slučaj kontrole", kaže Sue Smrekar iz NASA-inog laboratorija za mlazni pogon. "Ne razumijemo u potpunosti kako je Zemlja završila tako useljiva, a Venera tako nenaseljena."
To je pomalo iznenađujuće, s obzirom na to da je Zemlja daleko najbolje proučena planeta u svemiru. Ali geološki procesi poput tektonike ploča stalno recikliraju dokaze o prošlosti, a velik dio kritičnih podataka o sastavu Zemlje krije se u njenim ogromnim, nepristupačnim dubinama. „Pokušavate razumjeti planet koji možete uzorkovati samo na površini“, kaže James Badro, geofizičar sa Instituta za fiziku Zemlje u Parizu. Iako su znanstvenici prikupili mnogo znanja iz proučavanja tla ispod naših nogu, cijela priča o izgradnji i evoluciji Zemlje ostaje nepoznata.
Tako su se istraživači obratili nebu za pomoć. Proučavali su druge zvijezdane sustave u potrazi za tragovima i pretraživali Zemljine građevne blokove među detritima Sunčevog sustava. Sadržaj planiranih i predloženih svemirskih misija mogao bi pomoći znanstvenicima da popune više dijelova koji nedostaju.
Od proučavanja novih aspekata protoplanetarnih tijela do isušivanja otkud potječu i kako su se oni miješali, istraživači se nadaju da će ukloniti procese planetarne formacije koja je stvorila Zemlju. Za mnoge je to jednako filozofska potraga koliko i znanstvena. "To je pitanje našeg porijekla", kaže Badro.
Umjetnikov dojam da je predložena misija Psycheu, asteroid za koji se misli da je u potpunosti metal. (NASA / JPL-Caltech) Sada se većina istraživača slaže s općom poviješću našeg Sunčevog sustava. Započelo je prije 4, 6 milijardi godina, kada se ogromni oblak plina i prašine koji plove u svemiru srušio se na sebe, možda potaknut udarnim valom obližnje supernove. Isplošeni oblak tada se umotao u vrti disk s kojeg je - oko 100 milijuna godina kasnije - naš Sunčev sustav izronio u manje-više trenutnom stanju: sunce okruženo s osam planeta i bezbroj manjih tijela razasutih po cijelom.
No, sitniji detalji kako je nastao naš kozmički kvart ostaju sporni. Na primjer, znanstvenici i dalje raspravljaju od čega su napravljeni planeti. "Znamo kako izgleda kolač", kaže Lindy Elkins-Tanton sa Sveučilišta Arizona, "ali željeli bismo znati kako izgledaju i svi ti pojedinačni sastojci", kaže ona.
Znanstvenici misle da su zemaljski planeti porasli mlakanjem manjih planete-životinja - predmeta promjera desetaka kilometara koji su se nakupili od protoplanetarne prašine. Ali sastav i strukturu tih planetesimala teško je odrediti. Proučavanje naše zbirke meteorita - fragmenata asteroida koji su pali na Zemlju - dobro je mjesto za početak, kaže Francis Nimmo, planetarni znanstvenik sa Sveučilišta u Kaliforniji, Santa Cruz. Ali nije dovoljno.
To je zato što ne moramo nužno imati uzorke svega što je otišlo na planete - neke komponente možda nedostaju ili uopšte ne postoje. Neki meteoriti izgledaju pristojno za Zemlju, ali znanstvenici ne mogu smisliti ni jednu kombinaciju meteorita koji u potpunosti objašnjava kemijski sastav Zemlje. "Ovo je nekako neugodno jer znači da zapravo ne znamo kako se Zemlja sastavila", kaže Nimmo.
Elkins-Tanton nada se da bi mu predložena buduća misija - jedan od pet finalista NASA-inog programa Discovery - mogla biti od pomoći. Projekt, koji vodi Elkins-Tanton, poslao bi bespilotnu svemirsku letjelicu posjetiti objekt zvan Psyche, koji sjedi u pojasu asteroida između Marsa i Jupitera. Psiha je široka oko 150 milja, a na temelju daljinskih promatranja njezine gustoće i sastava površine čini se da je izrađen od čvrstog metala. Također može podsjećati na građevne blokove Zemlje.
"Ovo bi mogla biti mala jezgra tijela koja je nastala u zemaljskoj regiji koja tvori planetu i koju su mnoge druge stvari pogodile i oduzela je njena kamenita vanjština", kaže Elkins-Tanton. Na NASA-inoj misiji Dawn znanstvenici su proučavali asteroid Vesta, protoplanet koji se također formirao u blizini Zemlje, a zatim su ga izbacili u asteroidni pojas. Međutim, jedinstvena je prilika da vidite što se nalazi ispod površine objekata poput Veste koji je Elkins-Tanton uzbuđivao.
"Psiha je jedino tijelo u Sunčevom sustavu koje nam omogućava izravno promatranje metalne jezgre", kaže ona. "Ovo bi nam mogla biti jedina šansa da pogledamo ovu vrstu sastojaka." Uz ostale finaliste Discoveryja, Elkins-Tanton i njezini kolege u rujnu će otkriti je li misija dobra.
Prema klasičnom modelu planetarne formacije, nakon što su planetesimalsi dostigli Psyche-ove veličine - desetke i stotine milja - počeli su kanibalizirati svoje susjede, kaže Kevin Walsh, planetarni znanstvenik iz Southwest Research Institute u Boulderu, Colorado. "Najveći rastu stvarno brzo", kaže, zahvaljujući sve većem gravitacijskom utjecaju.
Ovaj postupak odbjegnute akumulacije donio bi broj tijela u Sunčevom sustavu do stotinu planetarnih embrija veličine Marsa do Marsa i nešto manjeg krhotina. S vremenom su se ti embriji polako kombinirali da bi formirali planete.
No, iako ovo objašnjenje djeluje dobro za zemaljske planete, što geološki dokazi sugeriraju formirani tijekom 30 do 100 milijuna godina, predstavlja problem plinskim divovima poput Jupitera. Znanstvenici misle da su jezgre tih tijela morale rasti mnogo brže - dovoljno brzo da bi uhvatile svoju ogromnu atmosferu iz plina prisutnog u ranom Sunčevom sustavu, koji se raspršio u samo nekoliko milijuna godina.
Tijekom posljednjeg desetljeća, istraživači su razvili alternativni mehanizam za uzgoj planeta poznat kao šljunčana akumulacija. Predstavlja snažan odmak od konvencionalnog akcesorskog modela, u kojem se predmeti kombiniraju kako bi tvorili progresivno veće čestice. Ili, kako to kaže Hal Levison, Walshov kolega: „Šljunak stvara gromade, a gromade čine planine sve do gore.“ Šljunčana akumulacija, s druge strane, predviđa da predmeti rastu od grudnjaka u obliku šake do tijela veličine Plutona gotovo odmah, a zatim nastavite dobivati masu, kaže Levison, koji je pomogao razviti hipotezu.
Proces bi započeo nedugo nakon formiranja protoplanetarnog diska, kada bi se komadići prašine koji kruže oko mladog sunca počeli sudarati i lijepiti se poput sinhroniziranih klizača koji se spajaju s rukama dok su kružili klizalištem. Na kraju bi aerodinamičke i gravitacijske sile izvukle velike grozdove ovih šljunka, tvoreći platesimale. Platesimalmili su zatim nastavili pometati preostale šljunke oko njih, brzo rastući sve dok nisu stvorili planete.
Uz rješavanje pitanja kako plinski divovi rastu tako brzo, model također pruža način za prevladavanje nečega što se naziva barijera veličine metra, koja je pogodila modele akumulacije planeta otkako je prvi put predstavljena u 1970-ima. Odnosi se na činjenicu da kad bi predmeti dostigli oko 3 metra u promjeru, trenje koje stvara okolni plin poslalo bi ih da se spiraliziraju na sunce. Šljunčana akumulacija pomaže baciti sitne čestice preko praga, čineći ih dovoljno velikim da drže svoje.
Znanstvenici još uvijek pokušavaju shvatiti je li se taj proces dogodio u cijelom Sunčevom sustavu i hoće li se odigrati na isti način za unutarnji i vanjski planet. (Iako to djeluje za plinske divove, kasniji stadiji brzog rasta ne uklapaju se u ono što znamo o zemaljskom oblikovanju planeta). No istraživači će možda naći neke tragove kasnije ove godine, kada NASA-ina misija Juno, koja je prošlog mjeseca uspješno stigla na Jupiter, počinje prikupljati informacije o sastavu i jezgri planete.
Walsh kaže kako će otkrivanje koliko materijala leži u središtu plinskog giganta pomoći istraživačima da ograniče različite modele planetarne akrekcije. Ako Jupiter ima malu jezgru, klasična akceracija ga je mogla izgraditi dovoljno brzo; ako je velik, to bi moglo značiti da se umjesto toga dogodilo nešto poput šljunčane ugradnje, kaže on.
Jupiter i njegovi Mjeseci Io, Europa i Ganymede kako ih je fotografirala misija Juno, ubrzo nakon što je svemirski brod ušao u orbitu oko plinskog diva. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Razumijevanje načina na koji se Jupiter formirao pomoći će istraživačima da razumiju podrijetlo ostalih planeta, uključujući Zemlju. To je zato što je Jupiter optužen da se miješao u izgradnju unutarnjih stjenovitih planeta, barem prema novoj ideji koju su razvili Walsh i drugi, a koja je posljednjih godina stekla privlačnost.
Hipoteza, poznata kao model Grand Tack, sugerira da bi Jupiter, nakon što je završio formiranje, očistio sav materijal na svom putu oko sunca, učinkovito otkidajući jaz u protoplanetarnom disku. Disk je, međutim, još uvijek sadržavao puno plina i prašine, koji su se pritiskali prema suncu dok se disk spljoštavao i protezao, kaže Walsh.
Jupiterov jaz učinkovito je blokirao protok ovog materijala i planeta je "upala u poplavne vode", kaže Walsh. Doselio se oko Marsove orbite sa Saturnom blizu pete. No, kako je Saturn slijedio, to je povuklo dovoljno materijala za ponovno povezivanje diska. Ovo je oslobodilo pritisak na Jupiter, omogućujući obojici planeta da se opet iseljavaju, sve u razmaku od nekoliko stotina tisuća godina. Model je bio inspiriran zapažanjima neobično uređenih planeta u drugim solarnim sustavima koji sugeriraju da su takve migracije česte, kaže Walsh.
Za ostatak Sunčevog sustava to bi bilo nešto poput para bikova u trgovini kozmičkih kina. Komadići krhotina unutarnjeg Sunčevog sustava izbacili bi se dok bi se nered iz vanjskog sustava odvukao, kaže Walsh. Model pomaže objasniti Marsove dimenzije runt veličine i broj i raznolikost tijela koja se danas nalaze u asteroidnom pojasu.
Također pruža moguće objašnjenje kako su zemaljske planete dobile svoju vodu. Prema Grand Tacku, migracija plinskog planeta se dogodila dok bi se zemaljski planeti još formirali i mogli su izbaciti materijal bogati vodom iz vanjskog Sunčevog sustava u smjesu. Walsh i mnogi drugi znanstvenici smatraju da su ugljenični asteroidi, koji su se možda stvorili izvan Jupitera, bila glavna sredstva za isporuku vode na Zemlju.
Ovog rujna NASA će pokrenuti misiju kako bi posjetila jedan takav asteroid nazvan Bennu. Walsh je suradnik na projektu zvanom OSIRIS-REx koji će proučavati tijelo izdaleka prije nego što uzme uzorak za povratak na Zemlju. Slična misija japanske svemirske agencije, pod nazivom Hayabusa 2, na putu je uzorkovanja drugog asteroida ugljika u 2018. godini.
Znanstvenici se nadaju da će saznati više o tome odakle potiču ovi asteroidi i jesu li oni doista izvor klase meteorita poznatih pod nazivom karbonasti hondriti. Nadaju se da će i proučavanje izvornog uzorka - umjesto fragmenta meteorita - pomoći u otkrivanju jesu li ti predmeti dostavljali ne samo vodu na Zemlju, već i organske spojeve koji su možda poslužili kao prethodnici života.
Dok se OSIRIS-REx vraća na Zemlju, mogao bi preći staze s Lucy, još jednom predloženom misijom koja je, poput Psychea, finalistica u programu Discovery. Pod vodstvom Levisona, Lucy ima za cilj istražiti posljednji veliki potres koji je uzdrmao naš sunčev sustav - planetarni tango koji je započeo oko 500 milijuna godina nakon Grand Tacka. Tada je, prema hipotezi Levisona i drugih, Pluton pokrenuo nestabilnost koja je uzrokovala da Neptun hrenovke izvan Urana i vanjskih divova plinova migriraju dalje od sunca na svoje današnje položaje.
Ova smetnja, poznata kao Nice model, poslala bi kišu krhotina koje su ulazile u unutarnji sunčev sustav, možda objašnjavajući nakupinu udara nastalih u razdoblju poznatoj kao Kasno teško bombardiranje. Zemaljske planete, poput Zemlje, uglavnom su se formirale do ove točke, tako da događaj nije značajno utjecao na njihov sastav. Ali to je možda bacilo krivulju na znanstvenike koji pokušavaju razumjeti kako se razvija sunčev sustav. Rashodi bi mogli umetati predmete u unutarnji Sunčev sustav koji nije imao veze s materijalima koji čine glavninu zemaljskih planeta, kaže Walsh.
Lucy bi mogla pomoći znanstvenicima da shvate što se stvarno dogodilo i omogućiti im da razdvoje ono što se miješa. To bismo postigli istraživanjem skupine asteroida zaključanih u Jupiterovoj orbiti. Ti su predmeti poznati kao Jovian Trojani mješavina tijela koja su se formirala u vanjskom Sunčevom sustavu, a zatim su se sastavila tijekom migracije.
Sredinom 2020-ih, kada bi ih misija dosegla, Trojanci će biti orijentirani u pravoj konfiguraciji za svemirsku letjelicu kako bi napravili veliku turneju sa šest tijela. "Cijelu sam karijeru obožavao nebeske bogove mehanike", kaže Levison, planetarni dinamičar. "Odlučili su mi platiti novac, jer se planete doslovno poravnavaju."
Levison kaže kako će izučavanje Trojanaca izbliza dati istraživačima jasniju predodžbu o načinu na koji se dogodilo miješanje modela iz Nice, a moglo bi pružiti i test šljunčane ugradnje. Hipoteza predviđa da bi išta manje od 60 milja zapravo trebalo biti fragment većeg tijela. To je predviđanje koje bi Lucy trebala moći testirati.
Umjetnikov dojam o površini Venere, gdje su temperature mračnih 870 stupnjeva Farenheita. (ESA / AOES Medialab) Zajedno, ove misije izgledaju spremno za daljnje razumijevanje znanstvenika o podrijetlu Zemlje, vjerojatno na način na koji ih istraživači još ne mogu zamisliti. Uostalom, izgradnja snažne slike planetarne formacije zahtijeva kombiniranje podataka iz različitih izvora, kaže David Stevenson, planetarni znanstvenik iz Caltech-a.
Međutim, pred nama je još dug put prije nego što shvatimo što Zemlju i Veneru čine tako različitima. "Skoro da je neugodno što ovdje sjedimo na Zemlji i imamo ovaj nama najbliži planet o kojem smo toliko neuki", kaže Stevenson. "Razlog zašto smo toliko neuki je da je prokleto vruće!"
Doista, pakleni uvjeti na površini Venere umanjili su napore da detaljno prouče planet. Rusija je uspjela spustiti niz svemirskih letjelica na površinu između 1960-ih i 80-ih. Preživjeli su samo nekoliko sati i prenijeli kratke bljeskove podataka prije nego što su podlegli vrućini. Ali ove i druge misije, poput NASA-inog pionira i Magellana, koji su planetu proučavali izdaleka, pružali su uvid u njegovo djelovanje.
Znamo, na primjer, da je Venera snažna atmosfera staklenika napravljena gotovo u potpunosti od ugljičnog dioksida i da je, čini se, izgubila većinu svoje površinske vode. To je možda ono što sprečava da se tamo pojavi tektonika ploča - misli se da voda masti kotače za poticanje ploča. To također može objasniti zašto Veneri nedostaje geomagnetno polje, što mnogi znanstvenici smatraju potrebnim za život jer štiti planet od pustošenja sunčevog vjetra. Geomagnetska polja nastaju konvekcijom u jezgri tijela, kaže Nimmo, i oslanjaju se na cirkulaciju plašta - često vezanu za tektoniku ploča - za prijenos topline.
Ono što znanstvenici žele više od svega jesu uzorci površinskih stijena Venere, ali to je i dalje udaljeni cilj. U doglednoj budućnosti istraživači će se morati dogovoriti za udaljenija zapažanja, poput onih iz trenutne japanske misije. Ranije ove godine, svemirska letjelica Akatsuki napokon je počela prenijeti podatke iz svoje orbite oko Venere nakon neplaniranog petogodišnjeg obilaska oko sunca.
Pored toga, NASA razmatra još dvije vlastite misije usmjerene na Veneru koje su ujedno i finalisti Discoveryja. Jedan projekt, nazvan VERITAS, vodi Smrekar i uključivao bi orbitu sposobnu za proučavanje geologije planeta u visokoj definiciji. Druga predložena misija, koju je vodila Lori Glaze iz Goddard centra za svemirske letove, analizirala bi jedinstvenu atmosferu Venere pomoću sonde nazvane DAVINCI.
Nada je da će ti napori otkriti zašto je Venera evoluirala onako kako je činila, i prema tome, ono što čini Zemlju drugačijom. U ovom trenutku, mnogi istraživači misle da su se Zemlja i Venera vjerojatno formirali od približno istog materijala i tada su se tijekom vremena razišli zahvaljujući nekoliko čimbenika. Oni uključuju njihovu različitu blizinu sunca i činjenicu da je Zemlja doživjela veliki sudar relativno kasno u svojoj povijesti - utjecaj koji je formirao Mjesec - koji bi ponovno rastopio velik dio planeta i potencijalno izmijenio njegovu dinamiku.
Ali dok ne znamo više o tome kako su planeti u našem Sunčevom sustavu nastali i koji su procesi oblikovali njihovu evoluciju, nećemo znati što razlikuje gostoljubivu planetu od neplodne, kaže Walsh. "Imamo teleskopa u svemiru koji love planete veličine oko Zemlje oko drugih zvijezda, ali nemamo pojma hoće li planeta evoluirati u Veneru ili u Zemlju", kaže on. "I to je cijela igra s loptom, na nekom nivou."
