Uranus 'hældning har i det væsentlige planeten, der kredser rundt Solen på sin side, og dens rotationsakse peger næsten mod Solen.
(Billede: © NASA og Erich Karkoschka, Arizona, Arizona)
Selvom planeterne omgiver stjerner i galaksen, forbliver de, hvordan de dannes, debat. På trods af verdens rigdom i vores eget solsystem, er videnskabsmænd stadig ikke sikre på, hvordan planeter er bygget. For tiden er der to teorier, der trækker det ud for rollen som mester.
Den første og mest almindeligt accepterede kernetilslutning fungerer godt med dannelsen af de jordiske planeter, men har problemer med kæmpe planeter som Uranus. Den anden, diskinstabilitetsmetoden, kan muligvis redegøre for oprettelsen af kæmpe planeter.
"Det, der adskiller isgiganterne fra gasgiganterne, er deres dannelseshistorie: under kernevækst overskred den førstnævnte aldrig [kritisk masse] i en fuld gasskive," skrev forskerne Renata Frelikh og Ruth Murray-Clay i en forskningsartikel.
Kernetildelingsmodellen
For cirka 4,6 milliarder år siden var solsystemet en sky af støv og gas kendt som en solnebula. Tyngdekraften kollapsede materialet ind i sig selv, da det begyndte at dreje og dannede solen i midten af tågen.
Med solens opgang begyndte det resterende materiale at klumpe sig sammen. Små partikler trak sig sammen bundet af tyngdekraften til større partikler. Solvinden fejede lettere elementer, såsom brint og helium, fra de tættere regioner, hvilket kun efterlod tunge, stenede materialer til at skabe jordiske verdener. Men længere væk havde solvindene mindre indflydelse på lettere elementer, hvilket gjorde det muligt for dem at samle sig sammen til gasgiganter som Uranus. På denne måde blev asteroider, kometer, planeter og måner oprettet.
I modsætning til de fleste gasgiganter har Uranus en kerne, der er stenet snarere end gasformig. Kernen dannede sandsynligvis først og samlet derefter brint, helium og metan, der udgør planetens atmosfære. Varme fra kernen driver Uranus 'temperatur og vejr og overmagter varmen fra den fjerne sol, som er næsten 2 milliarder miles væk.
Nogle exoplanetobservationer ser ud til at bekræfte kernetildragelse som den dominerende formationsproces. Stjerner med flere "metaller" - et udtryk astronomer bruger til andre elementer end brint og helium - i deres kerner har flere kæmpe planeter end deres metalfattige kusiner. Ifølge NASA antyder kernetildragelse, at små, stenede verdener burde være mere almindelige end de mere massive gasgiganter.
2005-opdagelsen af en gigantisk planet med en massiv kerne, der kredser om den sollignende stjerne HD 149026, er et eksempel på en exoplanet, der har bidraget til at styrke sagen om kernetilslutning.
"Dette er en bekræftelse af kernetilstanden for planetdannelse og bevis for, at planeter af denne art skal eksistere i overflod," sagde Greg Henry i en pressemeddelelse. Henry, en astronom ved Tennessee State University, Nashville, opdagede dæmpningen af stjernen.
I 2017 planlægger Det Europæiske Rumorganisation at lancere den karakteriserende ExOPlanet Satellite (CHEOPS), der vil undersøge eksoplaneter, der strækker sig i størrelser fra super-Earths til Neptune. At studere disse fjerne verdener kan hjælpe med at bestemme, hvordan planeter i solsystemet er dannet.
"I kernetilbagekoblingsscenariet skal en planetes kerne nå en kritisk masse, inden den er i stand til at akkrediterer gas på en løbsk måde," sagde CHEOPS-teamet. "Denne kritiske masse afhænger af mange fysiske variabler, blandt de vigtigste heraf er hastigheden af planetesimals akkretion."
Ved at studere, hvordan voksende planeter akkrediterer materiale, vil CHEOPS give indsigt i, hvordan verdener vokser.
Diskinstabilitetsmodellen
Men behovet for en hurtig dannelse af de gigantiske gasplaneter er et af problemerne med kernetilbagetrækning. Ifølge modeller tager processen flere millioner år, længere end de lyse gasser var tilgængelige i det tidlige solsystem. Samtidig står kernetilpasningsmodellen over for et migrationsspørgsmål, da babyplaneterne sandsynligvis vil spiral ned i solen på kort tid.
"Kæmpe planeter formes virkelig hurtigt i løbet af et par millioner år," fortalte Kevin Walsh, en forsker ved Southwest Research Institute i Boulder, Colorado, til Space.com. "Det skaber en tidsbegrænsning, fordi gasskiven omkring solen kun varer 4 til 5 millioner år."
I henhold til en relativt ny teori er diskens ustabilitet, klumper af støv og gas bundet sammen tidligt i solsystemets liv. Over tid komprimeres disse klumper langsomt til en kæmpe planet. Disse planeter kan danne hurtigere end deres kernetilskudsmæssige rivaler, nogle gange i så lidt som tusind år, så de kan fange de hurtigt forsvindende lettere gasser. De når også hurtigt en bane-stabiliserende masse, der forhindrer dem i at dø-marcherende i solen.
Når forskere fortsat studerer planeter inde i solsystemet såvel som omkring andre stjerner, vil de bedre forstå, hvordan Uranus og dets søskende dannede sig.
Pebble-optagelse
Den største udfordring for kernetilbagetrækning er tid - at bygge massive gasgiganter hurtigt nok til at få fat i de lettere komponenter i deres atmosfære. Nylig undersøgelse af, hvordan mindre objekter i småstørrelse smeltede sammen for at bygge kæmpe planeter op til 1000 gange hurtigere end tidligere undersøgelser.
"Dette er den første model, som vi ved om, at du starter med en temmelig enkel struktur til solenævnen, hvorfra planeter dannes, og ender med det kæmpe-planet-system, som vi ser," studerer hovedforfatter Harold Levison, en astronom ved Southwest Research Institute (SwRI) i Colorado, fortalte Space.com i 2015.
I 2012 foreslog forskere Michiel Lambrechts og Anders Johansen fra Lund University i Sverige, at små småsten, når de først blev afskrevet, holdt nøglen til hurtigt at opbygge gigantiske planeter.
"De viste, at de resterende småsten fra denne dannelsesproces, som tidligere blev antaget at være uvæsentlige, faktisk kunne være en enorm løsning på det planetdannende problem," sagde Levison.
Levison og hans team bygger på denne forskning for at modellere mere præcist, hvordan de små småsten kunne danne planeter set i galaksen i dag. Mens tidligere simuleringer, både store og mellemstore genstande forbrugt deres småsten-fætre i en relativt konstant hastighed, antyder Levisons simuleringer, at de større objekter optrådte mere som bøller og snavs småsten fra de mellemstore masser for at vokse langt hurtigere sats.
"De større genstande har nu en tendens til at sprede de mindre mere, end de mindre spreder dem tilbage, så de mindre ender med at blive spredt ud af småsten," undersøgte medforfatter Katherine Kretke, også fra SwRI, til Space.com . "Den større fyr mobber dybest set den mindre, så de kan spise alle småsten selv, og de kan fortsætte med at vokse op og danne kernerne i de gigantiske planeter."
Pebble-tiltrædelse fungerer sandsynligvis for de kæmpe planeter end de jordiske verdener. Ifølge Sean Raymond, fra det franske universitet i Bordeaux, skyldes det, at "småsten" er lidt større og meget lettere at holde fast forbi snelinjen, den imaginære linje, hvor gas er kold nok til at blive is.
"For småsten er det bestemt lidt bedre at være lige forbi sneen," fortalte Raymond til Space.com.
Selvom rullesten tiltrækning fungerer godt for gasgiganterne, er der nogle udfordringer for isgiganterne. Det skyldes, at millimeter til centimeter store partikler akkrediteres ekstremt effektivt.
"De akkrediterer så hurtigt, at det er vanskeligt for isgigantiske kerner at eksistere i nogenlunde deres nuværende kernemasser i en betydelig del af diskens levetid, mens de akkrediterer en gaskonvolut," skrev Frelikh og Murray-Clay.
"For at undgå løbsk skal de derfor afslutte deres vækst på et bestemt tidspunkt, når gasskiven delvist, men ikke helt, er udtømt."
Parret foreslog, at størstedelen af gasudskillelsen på kernerne i Uranus og Neptune faldt sammen med deres bevægelse væk fra solen. Men hvad kan få dem til at ændre deres hjem i solsystemet?
En dejlig model
Oprindeligt troede forskere, at planeter dannede i den samme del af solsystemet, de lever i i dag. Opdagelsen af eksoplaneter ryste op og afslørede, at i det mindste nogle af de mest massive genstande kunne migrere.
I 2005 foreslog en trio af papirer, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nature, at Uranus og de andre gigantiske planeter blev bundet i næsten cirkulære bane meget mere kompakte end de er i dag. En stor skive med klipper og is omkransede dem og strækkede sig ud til omkring 35 gange jord-solafstanden, lige uden for Neptunes nuværende bane. De kaldte dette Nice-modellen efter byen i Frankrig, hvor de først diskuterede den. (Det er udtalt Neese.)
Da planeterne interagerede med de mindre kroppe, spredte de de fleste af dem mod solen. Processen fik dem til at handle energi med objekterne og sendte Saturn, Neptune og Uranus længere ud i solsystemet. Til sidst nåede de små genstande Jupiter, som sendte dem flyvende til kanten af solsystemet eller helt ud af det.
Bevægelse mellem Jupiter og Saturn kørte Uranus og Neptune ind i endnu mere excentriske baner og sendte parret gennem den resterende disk med is. Noget af materialet blev kastet indad, hvor det styrtede ned på de jordiske planeter under det sene tunge bombardement. Andet materiale blev kastet udad og skabte Kuiper Belt.
Da de langsomt bevægede sig udad, handlede Neptune og Uranus steder. Til sidst fik interaktioner med det resterende affald parret til at slå sig ned i mere cirkulære stier, når de nåede deres aktuelle afstand fra solen.
Undervejs er det muligt, at en eller endda to andre gigantiske planeter blev sparket ud af systemet. Astronom David Nesvorny fra Southwest Research Institute i Colorado har modelleret det tidlige solsystem på jagt efter ledetråde, der kunne føre til forståelse af dets tidlige historie.
"I de tidlige dage var solsystemet meget anderledes med mange flere planeter, måske lige så massive som Neptun, der dannede og blev spredt til forskellige steder," fortalte Nesvorny til Space.com.
En farlig ungdom
Det tidlige solsystem var en tid med voldelige kollisioner, og Uranus var ikke fritaget. Mens månens overflade og Merkur begge viser tegn på bombardement af mindre klipper og asteroider, led Uranus tilsyneladende en betydelig kollision med en protoplanet i jordstørrelse. Som et resultat vippes Uranus på sin side, med en pol, der peger mod solen i halve året.
Uranus er den største af isgiganterne, måske delvis fordi den mistede noget af sin masse under påvirkningen.
