Powstawanie układów planetarnych

W książce zatytułowanej Jak powstają gwiazdy („Alfa”, Warszawa 1991) jej autor Michał Różyczka zamieścił takie oto zdanie: „W tej chwili z czystym sumieniem można wypowiedzieć tylko jedno stwierdzenie: o ile grawitacyjna redystrybucja momentu pędu prowadzi do powstawania układów wielokrotnych, o tyle transport momentu pędu poprzez dysk akrecyjny kończy się powstaniem gwiazdy pojedynczej (samotnej lub otoczonej układem planetarnym)”

* * *

Ten artykuł, jako pomocniczy do wykładu Wybrane zagadnienia z historii nauki
i techniki, został napisany w ramach badań własnych AGH

Niestety, Autor nie rozwija drugiego członu alternatywy („…lub otoczonej układem planetarnym”). Co prawda pisze tylko o gwiazdach, niemniej jednak szkoda, że nie rozwinął szerzej tej intrygującej myśli.

Przypomnijmy zatem okoliczności, w jakich dochodzi do ewolucji gwiazd I populacji podobnych do Słońca. Są to zarazem warunki konieczne, aczkolwiek nie wystarczające, do powstawania planet typu ziemskiego.

Gwiazdy „młode”, o wieku około 5 mld lat i mniej, powstają w ramionach spiralnych Galaktyki, w obłokach molekularno-pyłowych nasyconych pierwiastkami ciężkimi wytworzonymi m. in. podczas eksplozji supernowych, ewolucji masywnych gwiazd typu Wolfa-Rayeta i tzw. skrajnych nadolbrzymów. Bez tych procesów wprawdzie jest możliwe, jak się zwykło sądzić, powstanie planet, jednak tylko typu jowiszowego, czyli gazowych olbrzymów, na których trudno się spodziewać form życia zbliżonych do rodzaju ziemskiego. Należy również pamiętać, iż podczas ewolucji średniomasywnych gwiazd nukleosynteza w ich wnętrzu może doprowadzić — mówiąc w sposób nieco uproszczony — do powstawania pierwiastków tylko do liczby masowej A ≈ 60, czyli żelazowców (Fe, Co, Ni). Dość powszechne zjawisko gwiazd nowych, powstających w układach podwójnych, może doprowadzić do wzbogacenia tymi pierwiastkami (do żelazowców włącznie) ośrodka międzygwiazdowego, głównie w płaszczyźnie dysku galaktycznego. Innym źródłem pierwiastków nasycających materię międzygwiazdową (lecz mniej wydajnym) jest wiatr gwiazdowy i rozszerzanie się otoczek gazowych gwiazd bardzo zaawansowanych w ewolucji (co obserwuje się jako tzw. mgławice planetarne). Stąd właśnie pośrednio wypływa wniosek, że bez eksplozji supernowych nie byłoby pierwiastków „cięższych od żelazowców” i nie mogłyby, jak się wydaje, powstawać planety typu ziemskiego.

Próbując odpowiedzieć na pytanie o warunki sprzyjające powstawaniu układu planetarnego, zawierającego w dodatku ciała podobne do Ziemi, musimy ograniczyć wstępnie nasze rozważania do „młodych” (t ≤ 5 mld lat), małomasywnych gwiazd, a dokładniej — z przedziału typów widmowych od mniej więcej F5 do około K5 (a więc od późnych typów F do wczesnych typów K, V klasy jasności). Daje to przedział mas gwiazdowych mniejszych od 1,4 M, a większych od 0,6 M. Gwiazdy masywniejsze ewoluują zbyt szybko (przechodząc do obszaru czerwonych olbrzymów) w porównaniu z czasem ewolucji niezbędnym, jak się wydaje, dla pojawienia się na ewentualnych planetach takich gwiazd istot rozumnych, a nawet chociażby tylko życia. Gwiazdy o niewielkiej masie (0,1–0,6 M) ewoluują co prawda powoli, jednak ich jasność jest mała, tak iż trudno liczyć, żeby w odpowiedniej odległości od gwiazdy znalazła się odpowiednia planeta typu ziemskiego, na której mogłaby powstać i ewoluować biosfera. Nie jest to absolutnie wykluczone, niemniej bardzo mało prawdopodobne. Zauważmy bowiem, iż krążąca najbliżej Słońca planeta Merkury ma zbyt małą masę, aby utrzymać atmosferę, zaś jej brak (bądź niewielka gęstość) wyklucza istnienie otwartych zbiorników wodnych, niezbędnych dla powstania życia. Wybiegając nieco do przodu możemy przypuszczać, że planeta obiegająca najbliżej macierzystą gwiazdę może być zwykle nie dość masywna.

Ograniczenie, które nałożyliśmy na masy gwiazd (i zarazem na ich typy widmowe), stanowi w pewnym sensie daną klasyczną w rozważaniach poświęconych zagadnieniu istnienia planet obdarzonych życiem. Wiedziano o nim bodajże jeszcze przed sformułowaniem wzoru Drake'a. Ograniczenie to stawia zarazem pod znakiem zapytania założenia typu: „co dziesiąta gwiazda…” Przekonamy się, że nawet dla wybranego przedziału typów widmowych (F5 – K5, V klasa jasności) nie możemy takiego rozważania stosować. Zawęża to radykalnie liczbę możliwych układów planetarnych (klasy słonecznej). Tym drugim, lecz nie ostatnim, ograniczeniem jest właśnie wspomniany na początku wynik ewolucji obłoku protogwiezdnego.

W przypadku szybko rotującego obłoku dochodzi do jego podziału na co najmniej dwie gwiazdy. Jak wynika z danych obserwacyjnych, potwierdzonych ostatnio przez satelitę astrometrycznego HIPPARCOS oraz HST, ponad 90% gwiazd w Galaktyce to składniki układów podwójnych bądź wielokrotnych. Takie układy mogą także powstawać w innych procesach: wychwytu grawitacyjnego (co nie jest nieprawdopodobne, zważywszy że z reguły gwiazdy powstają „stadnie” — w gromadach — i pierwotnie odległości między nimi nie są „astronomicznie” duże, „wymianie przy zderzeniu” (pojedyncza gwiazda oddziałuje na układ podwójny, „wychwytując” jeden ze składników), wreszcie subfragmentacji protogwiazdy (kiedy może dojść do powstania nawet układu poszóstnego). Wszystkie te procesy łącznie z najpierw wymienionym (fission) mają jedną zasadniczą wspólną cechę: nie dają wielkich szans na powstanie układu planetarnego.

Komputerowa symulacja pokazująca jak dysk protoplanetarny otaczający młodą gwiazdę, we względnie krótkim czasie, zaczyna dzielić się i tworzy gazowe olbrzymie planety na stabilnych orbitach. Fot. Mayer, Quinn, Wadsley, Stadel

Jeśli moment pędu (kręt) obłoku jest duży i dochodzi do powstania obłoku podwójnego, wtedy po prostu jest brak „materiału” na utworzenie planet. Mogą co najwyżej powstać drobne ciała w rodzaju planetoid o niewielkich rozmiarach i nikłych masach. W pozostałych przypadkach powstawania układów podwójnych oraz wielokrotnych orbity gwiazd-składników są albo ekscentryczne, albo różne od współpłaszczyznowych i nawet jeśliby powstały w takich układach planety, ich orbity byłyby tak zmienne, że nie doszłoby zapewne do ustabilizowania warunków termicznych na powierzchni hipotetycznych planet i z tego powodu trudno oczekiwać dogodnej sytuacji dla narodzin i ewolucji życia. Oceniane niekiedy możliwości usytuowania odpowiedniej planety na niezakłócanej orbicie w układzie podwójnym bądź wielokrotnym nie są wprawdzie sprzeczne z kinematyką takiego układu, jednak nad wyraz mało prawdopodobne, ponieważ musiałby zajść szczególnie określony ciąg zdarzeń zaistnienia, zsynchronizowany dodatkowo z czasem koniecznym dla ewolucji prowadzącej do wyłonienia istot obdarzonych rozumem. Stąd też generalnie przyjmuje się, że cywilizacji kosmicznych nie należy oczekiwać w układach podwójnych czy wielokrotnych. Chcąc zatem na serio rozpatrywać przyczyny milczenia Wszechświata, musimy konsekwentnie pogodzić się z tym, iż nie będziemy zajmowali się nader nikłym prawdopodobieństwem występowania ETI w układach wielokrotnych. Wprowadza to kolejne ograniczenie i spośród gwiazd I populacji należących do typu widmowego F5–K5 (V klasy jasności) możemy brać pod uwagę tylko około 10% gwiazd pojedynczych.

Jednak okazało się, iż nie wszystkie gwiazdy pojedyncze mogą utworzyć z resztek dysku protogwiezdnego regularny układ planetarny. Istnieją bowiem dwie możliwości: utworzenie układu planetarnego albo „rozdmuchanie” pozostałości dysku w przestrzeń kosmiczną. Może niekiedy wystąpić trzecia możliwość: „zdegenerowana” ewolucja dysku protoplanetarnego prowadząca — z różnych powodów — do powstania planetoid, meteoroidów i komet, czyli czegoś pośredniego między regularnym układem a „rozdmuchaniem” materii dysku w przestrzeni. Niestety, nie jest jeszcze znany stopień prawdopodobieństwa zaistnienia tych procesów, dominacji jednego nad drugim. W każdym razie wiadomo, iż „być albo nie być” układu planetarnego będzie zależało od ilości materii (masy dysku), jej składu fizyko-chemicznego, a także od intensywności wiatru gwiezdnego wkrótce po rozbłyśnięciu gwiazdy, czyli zainicjowaniu w jej wnętrzu reakcji termonuklearnych. Z pewnych pośrednich danych wydaje się też wynikać, że łatwiej może dochodzić do rozproszenia materii dysku niż do uformowania z niej układu planetarnego. Zawsze pozostaje pewien procent gwiazd (do 5%?), które w trakcie wstępnej ewolucji, przed osiągnięciem ciągu głównego, zużyją niemal wszystek zapas materii obłoku protogwiezdnego, niewiele pozostawiając dla powstania planet, tak iż raczej będzie ją otaczał nie dysk, ale pierścień materii gazowo-pyłowej. Będą to gwiazdy „absolutnie pojedyncze”. Co prawda można natknąć się na dywagacje o gwiazdach „jednoplanetarnych”, lecz ich przydatność dla problematyki CETI-SETI jest co najmniej wątpliwa.

Jak wiadomo z danych obserwacyjnych, najbardziej bogate w gwiazdy są ramiona spiralne Galaktyki. Jednak nie wszystkie z nich można brać pod uwagę, jedynie te, które znajdują się w pobliżu tzw. okręgu korotacyjnego (odległego od centrum Galaktyki o około 10,5 kpc), gdzie gwiazdy obiegające jądro Galaktyki mają tę samą prędkość co ramiona. Gwiazdy obiegające jądro w bliższej odległości poruszają się szybciej, a więc doganiają ramię spiralne i przez nie przechodzą. Gwiazdy obiegające jądro w dalszej odległości biegną wolniej i pozostają poza ramieniem. To samo rozumowanie odnosi się oczywiście do obłoków gazowo-pyłowych i protogwiazd. Te obiekty, które nader rzadko przechodzą przez ramiona spiralne (a więc niejako na peryferiach Galaktyki), mają małe szanse, by powstały z nich gwiazdy otoczone układem planetarnym. Te zaś obiekty, które krążą zbyt blisko jądra i często przechodzą przez ramiona spiralne, częściej też są narażone na efekty wybuchów supernowych, „rozdmuchujących niekiedy z zewnątrz” dysk protoplanetarny. Natomiast pozostając dokładnie na okręgu korotacji, gwiazda może zdążyć utworzyć planety, ale taki układ również częściej będzie narażony na wpływ twardego promieniowania (powstającego podczas eksplozji supernowej), niezmiernie szkodliwego, a wręcz mogącego unicestwić życie. Będzie w tym miała udział zarówno większa częstość, jak i większa gęstość gwiazd w ramionach spiralnych niż poza nimi.

Powróćmy zatem ponownie do problemu gwiazd supernowych. Otóż nie tylko dostarczają one pierwiastków chemicznych — najogólniej ujmując — niezbędnych dla powstania planet typu ziemskiego, lecz również dają impuls mogący bądź przyspieszyć kolaps grawitacyjny obłoku protogwiezdnego oraz zainicjować (w przypadku gwiazdy pojedynczej) powstanie układu planet, bądź rozdmuchać dysk protoplanetarny „z zewnątrz”. Zależy to oczywiście od odległości, w jakiej od tworzącej się gwiazdy i jej układu wybucha supernowa. Spustowy niejako mechanizm oddziaływania na planetogenezę w ogóle nie został uwzględniony w słynnym wzorze Drake'a i bywał pomijany we wcześniejszych rozważaniach statystycznych. Nie powinno to zresztą dziwić, skoro uważano, iż supernowe wybuchają w galaktyce nader rzadko — raz na kilkaset lat. Dopiero systematyczne obserwacje supernowych w innych galaktykach oraz odkrycie pulsarów (jako pozostałości po supernowych) i ich zliczenia uświadomiły, że takie eksplozje mogą zachodzić znacznie częściej: niewykluczone, że nawet co dziesięć lat! Nie zwracano zatem uwagi na doniosłą rolę supernowych w procesie planetogenezy; rolę w pewnym sensie dwuznaczną, skoro eksplozja masywnej gwiazdy może przyspieszyć formowanie się dysku protoplanetarnego (nasycając go dodatkowo pierwiastkami ciężkim) albo też… nie dopuścić do jego utworzenia, „rozdmuchując” niejako obłok protogwiezdny. Dodatkowym czynnikiem planetosprawczym jest „właściwe” przechodzenie obłoku protogwiezdnego przez ramiona spiralne Galaktyki.

Artystyczna wizja narodzin układu planetarnego wokół gwiazdy Fomalhaut w gwiazdozbiorze Ryby Południowej (alfa PsA) oparta na obrazach pyłowego dysku okalającego tę gwiazdę, uzyskanych w submilimetrowej dziedzinie widma przy pomocy kamery SCUBA na teleskopie Jamesa Clerka Maxwella na Hawajach. Ilustracja wykonana przez Davida Hardy'ego

Te ograniczenia oznaczają po prostu, iż odpowiednia gwiazda mogąca z resztek (około 1%) swego pierwotnego obłoku otrzymać „w darze od przyrody” układ planetarny musi obiegać centrum Galaktyki w odległości nieco tylko różnej od promienia korotacji. Ale to jeszcze nie koniec „kłopotów”, ponieważ po okresie „gwałtownego poczęcia” wewnątrz ramienia spiralnego musi nastąpić okres spokoju i stabilizacji, co najlepiej może zostać spełnione w przestrzeni międzyramiennej. Nie na wszystkich zatem „dogodnych” planetach może powstać życie, co więcej — nie potrafimy oszacować tej wielkości.

Zakładając symetrię (co jest dość zrozumiałe ze względu na w miarę regularny kształt Galaktyki), moglibyśmy się spodziewać, oprócz naszej Gwiazdy Dziennej, zaledwie jeszcze trzech do pięciu (?) gwiazd obieganych przez planety podobne do naszej Ziemi i obdarzanych życiem oraz wysoko rozwiniętą cywilizacją. Jedna albo dwie z nich mogłyby być… przesłonięte przez jądro galaktyki, czyli znajdowałyby się bardzo daleko od nas (około 20 000 pc ≈ 65 000 lat świetlnych). Pozostałe dwa lub trzy (?) hipotetyczne układy planetarne z wysoko rozwiniętymi cywilizacjami mogłyby być „obserwowalne”, lecz odległość do nich byłaby rzędu 10 000 lat świetlnych, co w zasadzie wyklucza nawiązanie z nimi kontaktu, nie mówiąc już o łączności.

Przedstawiony zarys hipotezy „obfitości cywilizacji w Galaktyce” można określić jako umiarkowanie optymistyczny. Jak wiadomo, pesymistyczna hipoteza zakłada istnienie jednej tylko cywilizacji w Galaktyce — naszej, ziemskiej. Ze swej strony „zoptymalizowane” hipotezy przyjmują odległości międzycywilizacyjne rzędu 1000 lat świetlnych, natomiast całkiem optymistyczne zakładają, że przestrzenny dystans między cywilizacjami kosmicznymi (ETI) wynosi od 10 do 100 lat świetlnych, z czego od razu wynika, iż układy planetarne powinny być powszechne w Galaktyce. Tak jednak chyba nie jest, skoro powszechne są gwiazdy podwójne i wielokrotne stanowiące być może nawet ponad 90% populacji gwiezdnej! Na tę ostatnią ocenę wskazują wyniki misji satelity HIPPARCOS, a także Teleskopu Kosmicznego Hubble'a (HST). Stwierdzono bowiem, iż wiele gwiazd uważanych dotąd za pojedyncze okazało się podwójnymi!

W istniejącej sytuacji, kiedy może okazać się, że zaledwie jedna gwiazda na dziewięć powstaje jako pojedyncza, najważniejszy jest problem, jaki procent tych gwiazd pojedynczych ma własne planety. Przyjmijmy, iż na razie nie interesuje nas ani typ widmowy, ani klasa jasności, ani wiek owych gwiazd pojedynczych. Później oczywiście trzeba będzie powrócić do założonych ograniczeń i rozpatrywać w zasadzie gwiazdy pojedyncze I populacji z przedziału widmowego F5 – K5 ciągu głównego, okrążające przy tym środek Galaktyki w odległości nieco tylko różnej od promienia korotacji. (Co pokazuje, że istnieją jednak wyróżnione obszary w Galaktyce!).

Jesteśmy niemal przekonani, iż nie ma supercywilizacji (jaka np. mogłaby powstać wokół gwiazdy II populacji) w sąsiedztwie Słońca — nawet w odległości około 1000 lat świetlnych, ponieważ zdołalibyśmy chyba rozpoznać obecnie jej działalność, określaną jako astroinżynieryjną, lub też przynajmniej odebrać nietypową emisję dowolnego promieniowania — bądź elektromagnetycznego, bądź korpuskularnego, świadczącą o jej sztucznym pochodzeniu. Wprawdzie należy zauważyć, iż szanse identyfikacji ETI są odwrotnie proporcjonalne do trzeciej potęgi odległości domniemanej supercywilizacji. Jeśli zatem szansa identyfikacji przy odległości np. 10 pc wynosi 1/2 („jest — nie ma”), to przy dwukrotnie dalszej odległości będzie co najmniej ośmiokrotnie mniejsza, tj. tylko jak 1:16, zaś przy dziesięciokrotnie większej odległości tysiąckrotnie mniejsza, czyli co najwyżej jak 1:2000 (!). Tej okoliczności nikt jakoś dotąd nie brał pod uwagę, a może ona być równie decydująca (podobnie jak istnienie wyróżnionego w pewnym sensie obszaru Galaktyki) dla wytłumaczenia milczenia Wszechświata.

Brak „rzucających się w oczy” artefaktów kosmicznych można w danym przypadku wyjaśnić trojako:

1. Supercywilizacja nie życzy sobie, aby ją rozpoznano, więc kamufluje swoją działalność (lub też po prostu nie umiemy takiej działalności rozpoznać!).
2. Supercywilizacja albo osiągnęła fazę autokontemplacji, albo była z natury kontemplacyjna i zajmuje się tylko sobą.
3. Supercywilizacja znajduje się „po drugiej stronie” jądra Galaktyki i ani o nas nie wie, ani my nie możemy się o niej dowiedzieć.

Ta ostatnia ewentualność (chociaż niekoniecznie nieprawdziwa) niewiele wnosi do zagadnienia problematyki SETI i jest podejrzanie bliska dziewiętnastowiecznemu rozumowaniu lokującemu życie i cywilizację na odwrotnej stronie Księżyca (ponieważ na widocznej nie była obecna…).

Pomimo nie do końca rozwiązanych wątpliwości, kwestię istnienia supercywilizacji (a zarazem znanej klasyfikacji Kardaszewa) można uznać w pewnej mierze za rozwikłaną: szanse ich powstania były nikłe, szanse identyfikacji jeszcze mniejsze, zatem praktycznie nie ma (dla nas) takiej supercywilizacji (niektórzy, jak Josif S. Szkłowski, twierdzą, że to właśnie my jesteśmy tą „supercywilizacją”, czyli najbardziej rozwiniętą w Galaktyce). I oto znowu powracamy do gwiazd I populacji, o wieku mniejszym od około 5 mld lat, podobnych do Słońca…, a cała ta dygresja posłużyła tu jako przykład jeszcze jednego ograniczenia problematyki CETI-SETI.

Obecnie jednym z najważniejszych zagadnień związanych z dociekaniem na temat cywilizacji kosmicznych staje się konieczność stwierdzenia (zaobserwowania) innego niż nasz układu planetarnego i nieważne, czy występuje w takim układzie cywilizacja lub przynajmniej życie. Zatem istotna będzie informacja, że Układ Słoneczny nie jest unikatem w Galaktyce, co pozwoli żywić nadzieję, iż mogą także występować inne układy z planetami obdarzonymi biosferą, a nawet cywilizacją.

W minionym dziesięcioleciu zaczęły się wprawdzie mnożyć liczne doniesienia o odkrywaniu oznak istnienia pozasłonecznych układów planetarnych (przeważnie pojedynczych planet wokół niektórych gwiazd). Dotąd poznano już blisko 100 takich obiektów. Jednak zestawienie wszystkich dotąd odkrytych efektów mogących świadczyć o obecności planet wokół odległych gwiazd (zob. np.: Pobliże gwiazdowe Słońca, Astronautyka 3/2001 oraz Układy planetarne wokół gwiazd, Urania — Postępy Astronomii 5/2001) budzi podejrzenie, iż nie są to układy planetarne sensu stricto, lecz raczej jakby zdegenerowane gwiazdy podwójne przypominające — ze względu na krótki, kilkudniowy zaledwie okres obiegu — w pewnym stopniu układy zaćmieniowe typu W Ursae Maioris. Ponadto nie jest wykluczone, iż niektóre z tych „planet” to jednak megaplanety lub infragwiazdy, czyli brązowe karły, albo że istniejące do tej pory teorie powstawania układów planetarnych, opracowane na podstawie kosmogonii Układu Słonecznego, nie są w pełni adekwatne do rzeczywistości.

W podsumowaniu wypada podać, iż pod koniec ubiegłego wieku ukazała się monografia Piotra Artymowicza pod znamiennym tytułem Astrofizyka układów planetarnych (PWN, Warszawa 1995 — zob. też „Urania” 10/1995).

Dr hab. Tadeusz Zbigniew Dworak, profesor nadzwyczajny w Zakładzie Kształtowania i Ochrony Środowiska Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH w Krakowie