Varhaiset kiviplaneetat syntyivät yllättävän nopeasti

Kuvittele yksinäinen tähden romusta muodostunut pilvi, joka jäähtyy universumissa, joka on tuskin enää vauvaikäinen. Tuon pölyisen laikkun sisällä kivisten maailmojen raaka-aineet, rauta, pii ja hiili, alkavat kasaantua. Nopeasti. Uusissa tietokonesimulaatioissa tähtitieteilijät havaitsivat, että joidenkin kaikkein ensimmäisten massiivisten tähtien räjähdykset saattoivat luoda tiheitä ja metalleiltaan rikkaita taskuja, jotka olisivat voineet kylvää Maankaltaisia planeettoja vasta noin 100 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Miten tähtien jäänteet voivat muuttua planeettojen rakennusaineiksi

Varhaiskosmologiassa universumia käsitellään usein homogeenisena, kun raskaita alkuaineita keskiarvotetaan suurilla alueilla. Todellisuus on kuitenkin sotkuisempi. Kun erittäin massiivinen varhainen tähti lopettaa elämänsä parin epävakauden supernovana, se paiskaa valtavia määriä raskaita alkuaineita ympäröivään aineeseen. Uudet simulaatiot seuraavat, miten nuo purkaukset sekoittuvat alkuperäiseen kaasuun, jäähtyvät ja sitten romahtavat pienemmiksi rakenteiksi.

Sen sijaan, että rikastuminen olisi tasainen, mallit näyttävät eristäytyneitä, pölyisiä taskuja, joissa muodostuu matalamassainen tähti, jota ympäröi protoplanetaarinen kiekko. Tämän kiekon sisällä odotettu kasvu, pölyhiukkasista metrimitan kappaleisiin ja edelleen kilometriluokan planetesimaaleihin, voi edetä. Tutkijat raportoivat, että joissakin simuloiduissa kiekkoissa on tarpeeksi kiinteää ainesta koota useita Maata vastaavia maailmoja, ja osa näistä muodostuvista kappaleista sijaitsee radoilla, joissa lämpötilat sallivat nestemäisen veden esiintymisen oikeissa olosuhteissa.

Parin epävakauden supernovat syntyvät tähdistä, joiden massa on kymmeniä tai jopa noin sata kertaa Auringon massan. Ne ovat erityisen tehokkaita raskaiden alkuaineiden synteesissä ja leviämisessä. Simulaatiot eivät oleta yhtenäistä rikastumista ympäri kosmosta; sen sijaan ne ratkaisevat paikallisen rikastumisen ja sekoittumisen hydrodynamiikan, mikä osoittautuu ratkaisevaksi tiheiden, metalleiltaan rikkaiden kiekkojen nopeassa synnyssä.

Miksi tämä muuttaa käsitystämme varhaisesta planeettojen muodostumisesta

Toistaiseksi laajamittaiset simulaatiot vihjasivat, etteivät kiviplaneetat voisi syntyä ennen kuin universumi olisi kerännyt raskaita alkuaineita pidemmällä aikavälillä, ehkä vasta satoja miljoonia vuosia myöhemmin. Kohdentamalla huomion näihin ylirikkaille alueille uusi työ puoltaa kiihtynyttä aikataulua. Selkokielellä sanottuna asuttavien planeettojen siemenet saattoivat ilmestyä melkein heti ensimmäisten massiivisten tähtien kuoleman jälkeen.

Se ei tarkoita, että elämä olisi puhjenut heti. Planeettojen muodostuminen on yksi vaihe pitkässä ketjussa, johon kuuluvat vakaat ilmakehät, volatiilien, kuten veden, säilyminen sekä pitkä jakso geologista ja kemiallista evoluutiota. Silti varhaisten kiviplaneettojen pelkkä olemassaolo laajentaa ajallista ikkunaa, jolloin prebioottinen kemia saattoi lopulta alkaa.

Daniel Whalen Portsmouthin yliopistosta, yksi tutkimuksen kirjoittajista, tiivisti seurauksen näin: "Teoriassa asuttavat maailmat olisivat voineet olla olemassa miljardeja vuosia aikaisemmin kuin aiemmin kuvittelimme, jopa ennen kuin ensimmäiset galaksit olivat täysin muodostuneet." Havainnoillisesti tällaiset jäännejärjestelmät Linnunradassamme voitaisiin löytää, koska niiden pitäisi säilyttää tunnusomaisia alkuainejälkiä.

Mitä simulaatiot todellisuudessa osoittavat

Mallit seurasivat supernovalla rikastuneiden alueiden romahtamista uudeksi sukupolveksi tähdeksi, jonka massa oli noin 0,7 kertaa Auringon massa, ja jota ympäröi pölyinen kiekko. Tämän kiekon sisällä tiimi tunnisti pieniä kiinteitä kappaleita, metrimitan kokoluokasta kilometriluokan planetesimaaleihin, jotka ovat klassisia planeettojen edeltäjiä. Tärkeää on, että osa näistä muodostui etäisyyksillä, jotka leikkaavat tähden nestemäisen veden vyöhykkeen, mikä viittaa veden varhaiseen saatavuuteen yhdessä kivenmuodostuselementtien kanssa.

Jarrett Johnson, Los Alamosin kansallisen laboratorion tähtitieteilijä, joka ei osallistunut tutkimukseen, kommentoi työn laajempaa merkitystä: "Tämä työ avaa uuden ikkunan siihen, mitä saattoi tapahtua kosmisen historian ensimmäisen 100 miljoonan vuoden aikana. Vaikka nämä varhaiset planeetat olisivat olleet steriilejä, elämän ainesosat olivat asettumassa hyvin varhain."

Asiantuntijan näkemys

"Paikallinen rikastuminen muuttaa kaiken", sanoo tri Elena Vega, varhaiseen tähtien muodostumiseen erikoistunut tähtitieteilijä. "Kun lopetat universumin keskiarvoistamisen ja alat ratkaista lähiympäristöjä, huomaat, että rikkauden saaret voivat ilmestyä melkein välittömästi ensimmäisten supernovien jälkeen. Nämä saaret ovat erinomaisia paikkoja nopealle planeettojen kokoamiselle. Seuraava askel on ennustaa havaintotunnisteet, joita voimme etsiä nykyisillä ja tulevilla instrumenteilla."

Seuraavat askeleet ja havaintomahdollisuudet

Tutkimustiimi aikoo laajentaa simulaatioitaan planeettojen myöhempiin kasvuvaiheisiin nähdäkseen, voivatko varhaiset planetesimaalit koota täysin muodostuneiksi planeetoiksi ja kuinka paljon vettä tällaiset planeetat voisivat säilyttää. He simuloivat myös rikastumista muista supernovatyypeistä, jotka olivat todennäköisesti yleisiä varhaisessa universumissa.

Todellisten ajanjakson selviytyjien havaitseminen Linnunradasta vaatisi huolellista kemiallista oikeuslääketiedettä. Supernovarikkastuneesta materiaalista syntyneen tähden pitäisi näyttää epätavallisia runsautuskuvioita raskaissa alkuaineissa ja pölyyn liittyvissä isotoopeissa. Korkearesoluutioiset spektroskooppiset kartoitukset muinaisista, matalamassaisista tähdistä galaktisessa halossa ja keskustassa ovat käytännöllinen aloituspaikka.

Yhteenveto

Uudet simulaatiot eivät todista, että elämä syntyi varhain, mutta ne pakottavat miettimään uudelleen, milloin ensimmäiset kiviplaneetat olisivat voineet muodostua. Näyttämällä, että paikallinen rikastuminen parin epävakauden supernovista voi toimittaa tarpeeksi kiinteää ainesta kivimaailmojen rakentamiseen kosmisen sykäyksen aikana, tutkimus työntää planeettojen alkuperätarinan lähemmäs universumin alkulukuja. Tulokset julkaistaan Astrophysical Journal Lettersissa ja ne kannustavat sekä teoreetikkoja että havainnoijia etsimään vanhempia, metallirikkaita taskuja kosmoksesta planeettajäänteiden löytämiseksi.