Podívejme se očima moderní vědy do hlubin času, kdy zhruba před 14 miliardami roků vznikl náš vesmír. Tehdy, v jeden okamžik začal plynout čas, vytvořil se prostor i hmota. Hvězdy zde ale tenkrát chyběly. Vesmír byl totiž z počátku vyplněn horkým zářením a látkou. Nic jiného v něm neexistovalo.
Teprve po čtyřech stech tisících letech se vesmír zvětšil a ochladil natolik, že se v něm vytvořila rozsáhlá oblaka vodíku s příměsí hélia. Brzy poté začaly části těchto vodíkových oblaků kondenzovat a vznikaly v nich stále hustší a hustší chuchvalce látky, které se spojovaly do stále větších a větších celků. Hustota a teplota uprostřed takových útvarů rychle narůstala, až po několika desítkách tisíc roků začaly v jejich centrálních oblastech probíhat termojaderné reakce. Právě tehdy vznikly první hvězdy.
Hvězdy jsou továrnami na prvky
Ve stejné době se v okolí mladých hvězd začaly tvořit zárodky planet a prudký hvězdný vítr odfoukl veškerý přebytečný plyn a prach daleko na periferii, kde později zkondenzoval do kometárních jader.
Hvězdy samozřejmě ve vesmíru vznikaly také později, například Slunce vzniklo zhruba 8 miliard roků po Velkém třesku (vznik vesmíru), což mimochodem není žádná náhoda. Před čtrnácti miliardami let sice vznikl náš vesmír, byl však vyplněn pouze vodíkem a héliem, což jsou dodnes ve vesmíru dva nejrozšířenější prvky. Jenom z vodíku a hélia bychom svět kolem nás ale neposkládali. Všechny těžší prvky – vápník, kyslík, uhlík, dusík, železo, zlato, platinu a desítky dalších vytvořily až hvězdy. Termojaderné reakce probíhající v nitrech hvězd totiž mění vodík a helium na řadu dalších chemických prvků. Tyto prvky se během hvězdného vývoje, především pak na jeho konci, dostávají do okolního prostoru, kde se mísí s dosud nevyužitým vodíkem a héliem. Složitější chemické prvky se tak stávají součástí další generace hvězd a samozřejmě i planet, které kolem nich obíhají.
Zrození Slunce bylo přesně načasováno
Kdyby totiž byla Země starší, nebyly by v okolí tvořícího se Slunce dostatečné zásoby těžších prvků, které vytvořily právě hvězdy, a nemohly by se zde tudíž vytvořit ani planety podobné Zemi. Což je případ možných planet v okolí starých kulových hvězdokup (symetrická koncentrace hvězd). A naopak, kdyby bylo Slunce mladší, kdyby vzniklo třeba před sto miliony roky, nestihl by se na povrchu naší planety vytvořit inteligentní život.
Každopádně považujme vznik Sluneční soustavy za typický a ilustrujme si nyní na konkrétním příkladu, jak se vlastně vaří planety…
Vznik Slunce
Stáří Sluneční soustavy se na základě datování rozpadu radionuklidů v meteoritech odhaduje na 4,566 miliardy let. Na počátku všeho bylo rozsáhlé molekulové mračno – gravitačně vázaný útvar plynu a prachu.
Hmotnost těchto útvarů se typicky pohybuje mezi sto tisíci a jedním milionem Sluncí, velikostí kolem šedesáti až tří set parseků (1 parsek = 3,26 světelného roku) a teplotou jen několik desítek kelvinů… Molekulová mračna najdeme v naší Galaxii pouze v galaktické rovině, a navíc poblíž spirálních ramen, což jsou úzké a dlouhé útvary zvýšené hustota hvězd a mezihvězdné hmoty ve tvaru spirály.
Mračna, jako zárodky hvězd
Jejich hlavní složkou je molekulární vodík, do něhož jsou vmíchány neutrální vodík, helium a další prvky pocházející ze zaniklých hvězd, spojené občas do složitých molekul. Obsahují též drobná zrníčka mezihvězdného prachu, jež intenzivním vyzařováním chladí celý oblak na uvedenou nízkou teplotu. V průměru napočítáme v jednom krychlovém kilometru vesmírného prostoru 125 zrníček, velikostí srovnatelných s částečkami cigaretového kouře, a 1015 atomů převážně vodíku. V rozsáhlých molekulových oblacích bychom naměřili i tisíckrát větší hodnoty. Přesto všechno se ale stále jedná o téměř dokonalé vakuum.
I když jsou uhlíková a křemíková zrníčka prachu vzácným „kořením“ (poměr hmotnosti prachu k plynu je 1:100), prach molekulová mračna nejen chladí, ale i zviditelňuje jejich krásu v podobě tzv. temných mlhovin.
Proč se „vypařují“ hvězdokupy?
Samo molekulové mračno však ke vzniku hvězd nestačí. Robustní stabilitu molekulového oblaku plynu a prachu totiž zajišťuje jeho vnitřní magnetické pole, kterému pomáhají některé další mechanizmy. Může se ale stát, například
po setkání s jiným oblakem mezihvězdné látky,
expandující obálkou supernovy
či při průchodu hustotní vlnou ve spirálním ramenu Galaxie,
že se zde přeci jenom vytvoří pomalu houstnoucí náhodné fluktuace, jakési chladné zhustky o hmotnosti až deset tisíc Sluncí, které se stanou zárodky hned několika stovek hvězd.
Takto vytvořené hvězdokupy však mají krátké trvání – vzápětí se rozpadají. Masivní stálice z první vlny baby-boomu – svým krátkovlnným zářením a silným hvězdným větrem – totiž vytláčejí plyn a prach do okolí a brání tak vzniku dalších hvězdných generací. Pro nové hvězdy se tak stěží využije čtvrtina materiálu původního molekulového mračna.
Řídká hvězdokupa, která tímto způsobem vznikne, tudíž není nijak výrazně gravitačně soudržná – brzo se rozplyne v okolním hvězdném prostředí. Takže i když většina hvězd vzniká ve hvězdokupách, paradoxně 95 % těchto soustav ihned zaniká. Ty hvězdokupy, které přežily až do dnešních dob – Plejády, Hyády, Jesličky – jsou vzácným případem velmi hustých společenství. I ony se ovšem „vypařují“.
Jak vznikly planety?
Na počátku vzniku Sluneční soustavy tedy nejspíš byla exploze dávno neexistující supernovy, která stimulovala vznik hvězd v molekulovém mračně a zároveň ho obohatila o řadu těžších chemických prvků. Zpočátku volnému hroucení zhustku nic nebránilo – byl řídký a chladný, takže se brzo vytvořil zárodek Praslunce, jádro o velikosti zhruba desetiny světelného roku.
Tak, jak rostla hustota zárodku, v průběhu tisíciletí rostla i jeho vnitřní teplota. Vodík spolu s dalšími atomy a molekulami tehdy během stovky tisíc roků vytvořil rychle rotující disk, v jehož centru se zformovalo Praslunce s povrchovou teplotou několik set stupňů Celsia se zhruba desetinásobnou velikostí oproti dnešnímu Slunci. Odhaduje se, že zárodečný disk měl hmotnost asi o padesát procent větší než je dnešní hmotnost Slunce a sahal do vzdálenosti asi 200 astronomických jednotek (1 AU = 149 597 870 km).
Rozhodující byla vzdálenost od Praslunce
Zatímco vnitřní i vnější teplota Praslunce pozvolna rostla, takže zpočátku zářilo především v infračerveném oboru, ve vnějších oblastech zárodečného disku začalo slepování prachových zrnek do stále větších a větších celků. S ohledem na rostoucí teplotu Praslunce, přitom došlo k zajímavé situaci. Ve vnitřní části zárodečného disku bylo mnohem tepleji než na okrajích, proto se vodní led, byť byl v původním materiálu hojně zastoupen, podobně jako ostatní těkavé látky, dostal na periferii disku, kde kondenzoval do jakéhosi vesmírného „sněhu“. Zatímco poblíž povrchu Praslunce dosáhla teplota brzo 2000 kelvinů, 5 astronomických jednotek daleko, v místech dnešního Jupiteru, bylo už jenom -70 °C, tedy desetkrát méně. To ale znamená, že Prazemě neobsahovala tak významné složky pro život, jako je voda, uhlík a třeba kyslík. Proto se také uvnitř zárodečného disku, poblíž Praslunce, vytvořily kamenné planety složené výhradně z hornin a kovů, naopak ve větších vzdálenostech vznikly plynné planety bez pevného povrchu, tj. Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, tvořené z vodíku, helia s příměsí uhlíku, kyslíku, dusíku a dalších těžších prvků.
Se vším pořádně zamíchal Jupiter
Rostoucí zárodky budoucích planet – planetesimály – na sebe další materiál buď dál nabalovaly, nebo ho naopak gravitačním působením vymršťovaly k jiným zárodkům, eventuálně mimo Sluneční soustavu. Některé z nich pak na vnějším okraji vytvořily dnešní kometární jádra v Kuiperově systému. Po nějaké době se zformoval Jupiter a Saturn. V případě našeho systému přitom mohutný Jupiter „pocuchal“ dráhy těles ve své blízkosti a zabránil tím, aby okolní zárodky vytvořily větší tělesa. Mars tudíž zůstal malý a planetky blíže k Jupiteru ještě menší. Současně se tvořily některé velké satelity obřích planet, tedy Io, Europa, Ganymédes a Kallisto, Titan a Triton. Jelikož vznikaly dostatečně daleko od Slunce, byly už od počátku bohaté na těkavé látky, včetně organických materiálů (Titan a Europa).
Soustavu vyčistila hvězdná vichřice
Další vývoj zabrzdilo Praslunce v okamžiku, kdy teplota jeho nitra přesáhla zhruba osm milionů kelvinů. Tehdy se smršťování zárodku zastavilo a uprostřed systému vznikla klasická hvězda hlavní posloupnosti – dnešní Slunce. Zapálení termojaderných reakcí navíc doprovodila jakási hvězdná vichřice, která vymetla ze Sluneční soustavy dosud nevyužitý prach a plyn (vytvořil Kuiperův pás a Oortovo mračno). Od začátku hroucení molekulového mračna až do tohoto okamžiku přitom uplynulo něco mezi sto tisíci a deseti miliony roky.
Vznik Země má na svědomí kosmická katastrofa
Konkrétní vývoj naší Země však nebyl ještě uzavřen. Zhruba 60 milionů roků po vzniku prvotní Země, která měla polovinu současné hmotnosti a pod mléčnou atmosférou, bohatou na sloučeniny křemíku, ukrývala rozsáhlé oceány žhavé lávy, došlo ke srážce s tělesem o velikosti Marsu.
Výpočty naznačují, že první náraz přišel nejspíš z boku: Projektil s rychlostí přes čtyřicet tisíc kilometrů za hodinu se o mladou planetu lehce otřel, oblétl Zemi o sto osmdesát stupňů a na druhé straně se zabořil do měkké kůry. Pohybová energie kolidujícího tělesa dala vzniknout explozi – zemská atmosféra se bleskově vypařila a povrch planety se ohřál na teplotu deset tisíc stupňů. Dvojitý zásah současně na oběžnou dráhu vymrštil ohromné množství žhavé horniny, která v průběhu několika hodin vytvořila prstenec rozsáhlejší než je ten Saturnův.
U zrodu života stál Měsíc
Ozdoba mladé Země však neměla dlouhého trvání. Jednotlivé částice se začaly při vzájemných srážkách spojovat dohromady a ty, které se nezřítily zpět na planetu, se za několik desítek let sbalily ve vzdálenosti kolem dvaceti tisíc kilometrů do jednoho velikého tělesa: věrný druh budoucí modré planety – Měsíc – se narodil. Díky této náhodě jsme se nejspíš na planetě objevili i my, lidé. Měsíc totiž sehrál ohromnou roli při dlouhodobé stabilizaci rotační osy Země, zabránil výkyvům klimatu, umožnil snazší přechod živých organismů z moře na souš a pochytal několik dalších velkých planetek, které by se mohly zřítit na zemský povrch.
Z vesmíru přišla i voda
Krátce po vzniku Měsíce, kdy postupně ustávalo bombardování zemského povrchu většími tělesy, padaly na zemský povrch komety a na vodu bohaté asteroidy, které daly za vznik oceánům a atmosféře. Zřejmě už v té době, nejpozději ale před 3,9 miliardami roků, se na zemském povrchu objevily první, velmi primitivní živé organismy. Tím byl vývoj Země a celé Sluneční soustavy v podstatě ukončen. Kdybychom se v té době na planety dívali z větší vzdálenosti, nepoznali bychom ve srovnání s dneškem žádný nápadný rozdíl.
Jak jsme změřili stáří Země?
Nasedněme do stroje času a vydejme se zpět do čtyři a půl miliardy let vzdálené minulosti naší planety. Země se stále otřásá pod náporem dopadů drobných asteroidů a planetek vířících vesmírným prostorem. Zastavme se u samotného stáří Země. Jak vůbec víme, že je stará 4,5 miliardy let? To nám dokázal už v padesátých letech minulého století americký vědec Clair Patterson na vzorcích meteoritu ze známého kráteru v Arizoně. Správně totiž předpokládal, že meteority tvoří materiál, z něhož vznikala Sluneční soustava. Jejich stáří tedy musí odpovídat stáří Země. Jak víme, tak přírodní radioaktivní izotopy se rozpadají neměnnou rychlostí. Patterson měřil zastoupení některých izotopů olova, které jsou produktem přirozeného rozpadu thoria a uranu. Tyto izotopy v tělese naší planety v době jejího vzniku vůbec neexistovaly a vznikly až v průběhu geologických věků. I když dnes jsou metody měření izotopů daleko přesnější, základní číslo 4,5 miliardy let zůstává stejné. Je to neuvěřitelně velké číslo, které si lépe představíme srovnáním. Kdybychom poskládali 4,5 miliardy mincí do sloupce na sebe, postavili bychom sloup, vysoký 6 500 kilometrů, tedy více, než je vzdálenost z povrchu Země k jejímu středu. Mimochodem, Patterson byl ze svého objevu tak vzrušeny, že se o něj pokoušel infarkt.
Pozorovací důkazy
Výše uvedený scénář vzniku Sluneční soustavy (a samozřejmě i jiných soustav) se nezakládá pouze na teoretických úvahách a simulacích, nýbrž také na pozorování.
Příkladem, že se ve vesmíru dodnes tvoří nové hvězdy, poskytuje například Mlhovina z Orionu (M 42), ve které jsou vidět velmi mladé hvězdy (mnohdy zachumlané do zárodečných oblaků a pozorovatelné pouze v infračerveném oboru spektra) a kolem nich disky, kde se nejspíš tvoří planety.
U Vegy se skrývá zárodečná planeta
Vznikající planetární soustavy se podařilo sledovat i v okolí tří jasných hvězd: ß Pictoris, Vegy a Fomalhaut. Všechny tyto hvězdy nejsou od nás dál než 25 světelných let. Jedná se o pozorování na rozhraní infračervené a rádiové části spektra, v tzv. submilimetrové oblasti vlnových délek. Hvězda Vega existuje asi 350 milionů let. Široké veřejnosti není určitě neznámá – představila se v Saganově filmu (a románu) Kontakt jako základna mimozemšťanů. Na infračervených záběrech Vegy je přitom patrný „průvodce“, jakýsi kulovitý oblak prachu, ukrývající uvnitř zřejmě zárodečnou planetu. Stoprocentně jisté to ale není. A Carl Sagan o oněm při psaní Kontaktu nevěděl…
Podobná zhuštěnina je patrná na snímku ß Pictoris; najdeme ji asi 10 až 20krát dál od centrální hvězdy než obíhá Pluto kolem Slunce. Beta Pictoris je už po řadu let známa jako hvězda obklopená prachovým prstencem. Samotná hvězda je jednou z nejmladších v okolí Slunce – je snad jen 30 milionů let stará.
Ve vesmíru máme příbuzné
Prachový oblak kolem Fomalhautu ze souhvězdí Jižní ryby se naší Sluneční soustavě podobá asi nejvíce. Disk obklopuje hvězdu z obou stran. V těsném okolí hvězdy ale není, zde se zřejmě již seskupil do kompaktnějších zárodků planet, které zatím nemáme možnost vidět. Pozorujeme však prach a drobná tělíska ve větších vzdálenostech od mateřské hvězdy, zhruba v těch místech, kde by mohla být obdoba našeho Kuiperova pásu planetek a komet.
Stejně tak zajímavá je i ε Eridani, která se nachází pouhých deset světelných let daleko, a lze ji svým způsobem považovat za mladší sestru našeho Slunce. Stáří ε Eridani se totiž odhaduje na 500 milionů až 1 miliardu let, hmotnost na tři čtvrtiny Slunce a zářivý výkon na jednu třetinu Slunce.
Na infračervených záběrech je opět nápadný prachový disk, který může být obdobou tzv. Kuiperova pásu v naší soustavě. Tento pás se nachází za Plutem a obsahuje několik desítek tisíc velkých komet a stovky milionů menších těles. Na rozdíl od Sluneční soustavy ale tento systém obsahuje tisíckrát větší množství prachu a tedy i patřičně větší počet komet. (Obdobně vypadalo i okolí mladého Slunce.) V prachovém prstenu navíc radioastronomové zachytili nápadnou světlou skvrnu. Může se jednat o vznikající planetu, případně o pozůstatek po kolizi dvou velkých kometárních jader. Možnou existenci planet ve vnitřní oblasti však naznačuje absence prachu v blízkosti hvězdy: ten byl jednak spotřebován při jejich vzniku, jednak díky gravitačními vlivu velkých těles byl vymeten na okraj soustavy. Je to podobné jako v naší sluneční soustavě.
Rodí se nový život?
Epsilon Eridani je již několik desítek let horkým kandidátem na přítomnost mimozemského života. Když v padesátých letech 20. století začal Frank Drake seriózní hledání signálů jiných civilizací, byla tato hvězda jednou ze dvou, na kterou zaměřil svoji pozornost. Dnes je jasné, že to bylo zbytečné. Zdejší systém planet – v případě, že vůbec existuje – je totiž nesmírně mladý. Nanejvýš se zde mohl zatím vyvinout jen velmi primitivní život. Ale ani ten to nemá lehké: všechna tělesa v nové planetární soustavě jsou, obdobně jako v první miliardě let v případě sluneční soustavy, nepřetržitě bombardována menšími i většími tělesy.
Ať už jsou tedy u ε Eridani planety či nikoli, ať už zde existuje primitivní život či nikoli, jedno je jisté: máme tu před očima obraz toho, jak vypadala mladá Sluneční soustava před více než čtyřmi miliardami let.
Literatura:
P. Ward, D. Brownlee, Život a smrt planety Země, Argo 2004
Instantní astronomické noviny, http://www.ian.cz
Hvězdy pod mikroskopem, pořad brněnské hvězdárny
Návod na použití vesmíru, http://navod.hvezdarna.cz
M. A. Garlic, The Story of the Solar Systém, Cambridge Universty Press 2002
Zpravodaj Hvězdárny a planetária Mikuláše Koperníka v Brně Hvězdný posel
Zemi ohrožují tisíce neviditelných komet
V naší sluneční soustavě se skrývají téměř neviditelné komety, jejichž existence zatím sice nebyla dokázána přímým pozorováním, ale pro jejich existenci existují důkazy v podobě přesných astronomických měření a výpočtů.
Tyto zvláštní neviditelné komety jsou pro naši planetu značným nebezpečím a odborníci nevylučují ani riziko náhlého katastrofického úderu. Podle astronomů jsem zatím poznali jen zlomek vesmírné hmoty, skrývající se ve vesmíru, který nás neustále něčím překvapuje. I naše sluneční soustava, kterou mnozí považují za probádanou a stabilní, se neustále formuje a přetváří.
Co se skrývá v Ooortově mračnu?
Řada odborníků je přesvědčena, že jakousi líhní zatím neviditelných komet je Ooortovo mračno,mohutná oblast zahrnující miliardy ledových objektů, ležící od Slunce ve vzdálenosti 100 000x větší, než naše Země, až na hranici naší sluneční soustavy. Pohyb ledových objektů je značně nepravidelný a mohou nastat i situace, kdy jsou zachyceny gravitací hvězd, pohybujících se v galaxii a nasměrovány ke Slunci. Pokud nastane tento případ, stanou se obrovité ledové balvany kometami, obíhajícími kolem našeho Slunce ve dvacetiletých až dvousetletých periodách po dráhách ležících šikmo k oběhovým drahám planet. Podle velikosti Ooortova mračna astronomové vypočítali, že na těchto nebezpečných oběžných dráhách se dnes pohybuje zhruba 3 000 takovýchto komet, tedy 400x více, než jich pozemská věda dnes zaznamenala pozorováním.
Vysvětlení tohoto rozporu vidí mnozí vědci v tom, že komety se po jednom až dvou obězích rozpadají na menší části. Irský astronom Bill Napier však nyní vytvořil matematický model, s jehož pomocí vypočítal, že pokud by tato teorie byla pravdivá, museli bychom na Zemi pozorovat mnohem častěji mohutné meteorické deště, než zaznamenáváme dnes, možná až 30 x za rok.
Rozluštění se očekává za 3 roky
S Napierovou teorií souhlasí mnozí přední odborníci, kteří ji mnohdy dále rozvíjejí. Tak například astronomové z Cardiffské univerzity v anglickém Walesu jsou přesvědčeni o daleko větším množství neviditelných komet, které mohou mít asfaltová, černá jádra a proto jsou neviditelné. Tyto komety pohlcují světlo a proto jsou neviditelné. Skutečnost, že asfaltové komety existují, potvrdil i loňský objev uhlíkových separací, unikajících z jedné z pozorovaných komet. Napier říká, že tmavé komety by se měly stát jedním z hlavních cílů, na které by se měli soustředit astronomové, kteří prohledávají blízký vesmír kvůli objektům, hrozícím srážkou se Zemí. „Jde o děsivě nebezpečné objekty. Jsou nebezpečné tím, že je nevidíme až do poslední chvíle a pak už bude pozdě zabránit katastrofě“. Existuje však reálná možnost, že už brzy budou i tyto černé komety včas pozorovatelné a to pomocí infračerveného vesmírného dalekohledu. Dnes sice už jeden je na oběžné dráze Země (Spitzerův dalekohled), ale ten je nasměrován na velmi malou část naší Galaxie. Nový dalekohled má být vypuštěn už v roce 2008 a díky tomu, že jeho zorné pole bude mnohem širší, je zde naděje, že zachytí i zatím neviditelné smrtící vlasatice.
