HOPS – i już wiadomo, jak życie rozpoczynają planety
Zacznijmy tę opowieść nad morzem. Piasek na bałtyckiej plaży to w zdecydowanej większości kwarc – dwutlenek krzemu (SiO2) ułożony w regularnej, krystalicznej strukturze. Kwarc znajduje się również w większości zegarków i urządzeń elektronicznych. Jego potraktowany prądem elektrycznym kryształ drga bardzo regularnie, co pozwala elektronicznie wyznaczać równy, mierzalny puls czasu.
Przyjrzyjmy się bardziej odległym krzemowym kryształom. Przenieśmy się aż 1,3 tys. lat świetlnych w kierunku konstelacji Oriona (której niestety próżno szukać na letnim niebie). Tam właśnie astrofizyczka z Uniwersytetu w Leiden Melissa McClure wraz ze współpracownikami przyłapała młodą gwiazdę na gorącym uczynku. Dzięki obserwacjom prowadzonym przy użyciu niezastąpionego duetu – interferometru na pustyni Atakama w Chile (ALMA) i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) – zaobserwowała sam początek procesu powstawania planet. I to właśnie wykrycie krzemowych minerałów w różnych krystalicznych formach pozwoliło jej stwierdzić, że tak właśnie wygląda „moment zero” – początek formowania się ziaren przyszłych globów.
Czytaj też (Pulsar): Narodziny gwiazd. Dlaczego powstają w najchłodniejszych miejscach w kosmosie?
Lord despotyczny
Gdy chłodny i ciemny obłok molekularny zapada się pod własnym ciężarem, warunki w jego wnętrzu diametralnie się zmieniają. Energia opadającej materii podgrzewa otoczenie, mimo że sama (proto)gwiazda jeszcze nie rozpaliła swojego jądrowego źródła ogrzewania. W tym pierwszym gwiezdnym ognisku, będącym zaledwie zalążkiem prawdziwego pożaru, którym jest dorosła gwiazda, topi się jednak niemal wszystko: molekuły rozpadają się na atomy, a ziarna nieregularnego, amorficznego pyłu wyparowują. Gdy jednak tylko mają szansę nieco się ochłodzić, tworzą dużo bardziej zorganizowaną krystaliczną strukturę. Te pierwsze minerały w Układzie Słonecznym datuje się na 4,567 mld lat, i od tego momentu zwykło się mierzyć wiek naszego kosmicznego domu.
Młoda, rodząca się gwiazda HOPS-315 była dla obserwatorów bardzo łaskawa. Ustawiła się pod idealnym kątem. Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba mógł dojrzeć zarówno gorący gaz wyparowującego dwutlenku krzemu, wyraźny znak, że ziarna gwiezdnego pyłu się roztapiają, jak i pochłanianie światła przez nowo powstałe kwarcowe kryształy, które stanęły na drodze między blaskiem gwiazdy a nami. Obserwując te minerały niejako na żywo, kondensujące się z gorącego krzemowego deszczu w odległym dysku w Orionie, zobaczyliśmy obrazki podobne do tych z Układu Słonecznego w okresie jego niemowlęctwa (czyli w ciągu pierwszych 100 tys. lat od swojego powstania).
Skąd jednak znamy wiek tych prehistorycznych minerałów? Skąd wiemy, jak stara jest sama Ziemia? Już Isaac Newton wykonywał eksperymenty logiczne, dochodząc do wniosku, że schłodzenie planety z rozgrzanej kuli żelaza, jak wyobrażano sobie jej pierwotny stan, potrwałoby ok. 50 tys. lat. To było jednak przed sformułowaniem podstawowych praw termodynamiki, teorii ciepła i przewodnictwa cieplnego w XIX w., które pozwoliły na pomiary nieco bardziej poparte teorią naukową. Lord Kelvin, brytyjski fizyk, niekwestionowany autorytet termodynamiki, który przyczynił się do jej uporządkowania, w drugiej połowie XIX w. wyliczył, że jeśli Ziemia jest stałą bryłą emitującą równomiernie energię, jej wiek powinien wynosić pomiędzy 24 a 96 mln lat.
Na podstawie ówczesnej wiedzy Brytyjczyk stwierdził również, że jedynym możliwym „napędem” Słońca jest jego wewnętrzna energia skumulowana w czasie procesu zapadania się obłoku molekularnego w gwiazdę. Na tej podstawie oszacował wiek gwiazdy na 100 mln lat, zbieżny ze zmierzonym podobną metodą wiekiem Ziemi. Dziś już wiemy, że oba są dramatycznie niedoszacowane, o rząd wielkości za małe. Kelvin nie popełnił błędu w obliczeniach, lecz pominął istnienie dodatkowych źródeł energii, takich jak reakcje jądrowe i radioaktywność.
To, co wyliczył, stało w sprzeczności z wnioskami, do których dochodzili współcześni mu geologowie, postulujący, że procesy erozji i górotwórstwa muszą być bardzo powolne. Nie przykładali oni jednak szczególnej wagi do precyzyjnego datowania, skłaniając się raczej ku teoriom, że Ziemia mogła istnieć po prostu od zawsze. Stało to w oczywisty sposób w sprzeczności z rodzącą się termodynamiką i zasadą entropii, według której chaos jedynie się zwiększa. O trwaniu od nieskończoności w nieskończoność nie może być więc mowy. Samą swoją siłą charakteru brytyjski uczony chciał wymóc na Ziemi tak młody wiek. Jak komentował w 1903 r. Mark Twain: „Lord Kelvin jest największym żyjącym naukowym autorytetem, myślę więc, że musimy mu ulec i zaakceptować jego punkt widzenia”.
Czytaj też (Polityka): Polscy astronomowie odkryli samotną planetę o masie mniejszej niż masa Ziemi
Energia wewnętrzna
Żaden autorytet nie oprze się jednak solidnym danym. A te dostarczyła, oczyszczając bez mała osiem ton rudy uranu, Maria Skłodowska-Curie, nie zdając sobie sprawy, jak przełomowe będą jej badania.
Zjawisko, które pierwszy zaobserwował Francuz Antoine Henri Becquerel w 1896 r., Skłodowska-Curie nazwała radioaktywnością i wytłumaczyła jako wewnętrzną własność atomu, a nie reakcję chemiczną. Szokujące dla niej było to, jak ogromnej energii mogą dostarczyć nawet niewielkie ilości radioaktywnych pierwiastków. Zgromadzone wewnątrz Ziemi mogą utrzymywać więc jej jądro w stanie ciekłym, co z kolei powoduje aktywne ruchy tektoniczne i istnienie pola magnetycznego.
To dwa z kilku absolutnie kluczowych warunków koniecznych do rozwinięcia się życia. Odkrycie radioaktywności w pewnym sensie obaliło oba założenia Kelvina. Jeśli Ziemia nie jest litą bryłą, ale ma płynne, gorące jądro, dystrybucja energii wewnątrz odbywa się w diametralnie inny sposób niż w jego modelu, a ponadto istnieje dodatkowe radioaktywne źródło energii.
Zasługi Skłodowskiej-Curie łatwo z perspektywy czasu sprowadzić do odkrycia dwóch nowych pierwiastków. Jednak miały one dużo bardziej fundamentalne znaczenie. Radioaktywność to bowiem samoistny rozpad jądra atomowego, w którym atom de facto zamienia się w inny. Uświadomienie sobie istnienia tej zagadkowej transmutacji było rewolucyjne. Atom, choć nie wiedziano jeszcze, czym dokładnie jest, od zawsze uznawano za niezmienną, najmniejszą część materii (stąd wszak jego nazwa od gr. atomos – niepodzielny).
Spontaniczny rozpad atomu pomaga w pomiarach czasu. Pierwiastki mają bowiem swoje charakterystyczne czasy życia. Dzięki nim możemy precyzyjnie określić wiek badanego obiektu – mierząc proporcje ilości radioaktywnego pierwiastka i produktów jego przemiany. Dla przykładu, uran poprzez serię rozpadów zamienia się w stabilny ołów, co sprawia, że wraz z wiekiem ilości tego drugiego w stosunku do pierwszego będą się zwiększać.
Naukowcy szybko zaprzęgli tę metodę do szacowania wieku skał. Bertram Boltwood opracował podstawy tej metody już w 1907 r. Jednak skały na Ziemi ulegają przeobrażeniom i ich wiek często jest tożsamy raczej z erą geologiczną niż „punktem zero”. To dlatego, mimo że oceniamy wiek Ziemi na 4,5 mld lat, najstarsze skały znalezione w Kanadzie okazały się mieć ok. 4 mld lat. Skąd więc wiemy, że Ziemia jest starsza? Z kosmosu!
Metodę rozpadu radioaktywnego można zastosować również do meteorytów – najczęściej pozostałości po pierwotnym materiale, z którego uformowały się planety Układu Słonecznego. Najstarsze fragmenty – inkluzje wapniowo-aluminiowe, które w nich znajdujemy – mają właśnie 4,5673 mld lat. Co ciekawe, wszystkie one są praktycznie w tym samym wieku, z dokładnością do kilkuset tysięcy lat. Wyznaczają precyzyjnie moment początku formowania się zalążków przyszłych planet.
Czytaj też (Polityka): Jak powstają woda i gwiazdy
Wyjątkowe zdjęcie
Jedną z czołowych ekspertek w dziedzinie symulowania tych zjawisk jest Polka Joanna Drążkowska, pracująca w Max Planck Institute for Solar System Research w Getyndze. W ubiegłym roku wraz z Peterem Woitkem z Uniwersytetu w Graz i współpracownikami przewidzieli istnienie mechanizmu tworzenia inkluzji wapniowo-aluminiowych przy jednoczesnym topieniu pozostałych minerałów. Dokładnie ten proces zauważono przy użyciu JWST w protogwieździe HOPS-315. – Cieszy mnie, że udało się zaobserwować tak wczesny etap formowania się dysku protoplanetarnego, i szkoda, że nie damy rady przyglądać się temu samemu obiektowi przez kolejny milion lat – komentuje to przełomowe odkrycie Joanna Drążkowska.
No właśnie, bo procesy planetotwórcze rozgrywają się powolnie. System HOPS-315 poczeka teraz przynajmniej pół miliona lat na swoją pierwszą gazową planetę i być może kilka kolejnych milionów lat na planety skaliste. Na szczęście powstających gwiazd w naszej galaktyce znamy kilka tysięcy i patrząc na różne z nich, możemy obserwować wszystkie etapy planetotworzenia. HOPS-315 to jednak pierwszy taki system, gdzie udało się ową chwilę „zero” dokładnie uchwycić.
Każda młoda gwiazda, na którą patrzymy, to w zasadzie zamrożony w czasie fragment uniwersalnej historii, także Słońca i Ziemi. Patrząc na różne obiektyw różnym wieku, możemy poskładać ją całą. To niczym odtwarzanie albumu rodzinnych zdjęć na podstawie innych, już obejrzanych. Kwarcowe kryształki, wszechobecne w naszych zegarkach, stały się czasowym punktem odniesienia, a protogwiazda HOPS-315 – wzorcem początku powstawania planet. W ten sposób do naszego albumu trafiło wyjątkowe zdjęcie: samego momentu narodzin.