Kemiringan Uranus pada dasarnya mempunyai planet yang mengorbit Matahari di sisinya, sumbu putarannya hampir menunjuk ke Matahari.
(Imej: © NASA dan Erich Karkoschka, U. Arizona)
Walaupun planet mengelilingi bintang di galaksi, bagaimana bentuknya tetap menjadi bahan perbahasan. Walaupun terdapat banyak dunia dalam sistem suria kita sendiri, para saintis masih tidak pasti bagaimana planet dibina. Pada masa ini, dua teori menjatuhkan peranan sebagai juara.
Peningkatan teras yang pertama dan paling banyak diterima, berfungsi dengan baik dengan pembentukan planet terestrial tetapi mempunyai masalah dengan planet raksasa seperti Uranus. Yang kedua, kaedah ketidakstabilan cakera, mungkin menyumbang kepada penciptaan planet gergasi.
"Apa yang memisahkan raksasa ais dari gergasi gas adalah sejarah pembentukannya: semasa pertumbuhan teras, yang pertama tidak pernah melebihi [jisim kritikal] dalam cakera gas penuh," tulis penyelidik Renata Frelikh dan Ruth Murray-Clay dalam makalah penyelidikan.
Model penambahan teras
Kira-kira 4.6 bilion tahun yang lalu, sistem suria adalah awan debu dan gas yang dikenali sebagai nebula suria. Graviti meruntuhkan bahan itu sendiri ketika ia mulai berputar, membentuk matahari di tengah nebula.
Dengan terbitnya sinar matahari, bahan yang tinggal mulai berkumpul bersama. Zarah-zarah kecil bergabung bersama, terikat oleh kekuatan graviti, menjadi zarah-zarah yang lebih besar. Angin suria menyapu unsur-unsur yang lebih ringan, seperti hidrogen dan helium, dari kawasan yang lebih dekat, hanya menyisakan bahan berbatu yang berat untuk mencipta dunia terestrial. Tetapi lebih jauh, angin suria kurang mempengaruhi unsur-unsur yang lebih ringan, memungkinkan mereka bergabung menjadi raksasa gas seperti Uranus. Dengan cara ini, asteroid, komet, planet, dan bulan dibuat.
Tidak seperti kebanyakan gergasi gas, Uranus mempunyai teras yang berbatu dan bukan gas. Inti kemungkinan terbentuk terlebih dahulu, dan kemudian mengumpulkan hidrogen, helium dan metana yang membentuk atmosfer planet. Haba dari teras mendorong suhu dan cuaca Uranus, mengatasi panas yang datang dari matahari yang jauh, yang terletak hampir 2 bilion batu.
Beberapa pemerhatian exoplanet nampaknya mengesahkan penambahan teras sebagai proses pembentukan yang dominan. Bintang dengan lebih banyak "logam" - istilah astronom yang digunakan untuk unsur selain hidrogen dan helium - di terasnya mempunyai lebih banyak planet gergasi daripada sepupu mereka yang miskin logam. Menurut NASA, penambahan inti menunjukkan bahawa dunia kecil dan berbatu seharusnya lebih biasa daripada gergasi gas yang lebih besar.
Penemuan planet raksasa pada tahun 2005 dengan teras besar yang mengorbit bintang seperti matahari 149026 adalah contoh eksoplanet yang membantu memperkuat kes penambahan teras.
"Ini adalah pengesahan teori penambahan inti untuk pembentukan planet dan bukti bahawa planet semacam ini harus ada dalam jumlah banyak," kata Greg Henry dalam siaran pers. Henry, ahli astronomi di Tennessee State University, Nashville, mengesan pengaburan bintang.
Pada tahun 2017, Agensi Angkasa Eropah merancang untuk melancarkan Satelit ExOPlanet (CHEOPS) yang mencirikan, yang akan mengkaji eksoplanet dari berbagai ukuran dari Bumi super hingga Neptunus. Mempelajari dunia yang jauh ini dapat membantu menentukan bagaimana planet dalam sistem suria terbentuk.
"Dalam senario penambahan inti, inti planet mesti mencapai jisim kritikal sebelum dapat menghasilkan gas secara melarikan diri," kata pasukan CHEOPS. "Jisim kritikal ini bergantung pada banyak pemboleh ubah fizikal, antara yang paling penting adalah kadar penambahan planetesimals."
Dengan mengkaji bagaimana tumbuh-tumbuhan planet menghasilkan bahan, CHEOPS akan memberikan gambaran bagaimana dunia berkembang.
Model ketidakstabilan cakera
Tetapi keperluan untuk pembentukan pesat bagi planet gas gergasi adalah salah satu masalah penambahan teras. Menurut model, prosesnya memakan waktu beberapa juta tahun, lebih lama daripada gas ringan yang ada pada sistem suria awal. Pada masa yang sama, model penambahan inti menghadapi masalah migrasi, kerana planet bayi cenderung berputar ke bawah sinar matahari dalam waktu yang singkat.
"Planet raksasa terbentuk dengan sangat cepat, dalam beberapa juta tahun," kata Kevin Walsh, seorang penyelidik di Southwest Research Institute di Boulder, Colorado, kepada Space.com. "Itu mewujudkan had masa kerana cakera gas di sekitar matahari hanya bertahan 4 hingga 5 juta tahun."
Menurut teori yang agak baru, ketidakstabilan cakera, gumpalan debu dan gas terikat pada awal kehidupan sistem suria. Dari masa ke masa, gumpalan ini perlahan-lahan menyatukan planet gergasi. Planet-planet ini dapat terbentuk lebih cepat daripada pesaing penambahan inti mereka, kadang-kadang hanya dalam seribu tahun, yang memungkinkan mereka menangkap gas-gas ringan yang cepat hilang. Mereka juga dengan cepat mencapai jisim penstabil orbit yang menghalangi mereka dari kematian menuju ke matahari.
Ketika para saintis terus mempelajari planet di dalam sistem suria, dan juga di sekitar bintang lain, mereka akan lebih memahami bagaimana Uranus dan adik-beradiknya terbentuk.
Pertambahan kerikil
Cabaran terbesar untuk penambahan inti adalah masa - membina gergasi gas besar cukup cepat untuk merebut komponen atmosfera yang lebih ringan. Penyelidikan terbaru mengenai seberapa kecil objek berukuran kerikil menyatu untuk membina planet raksasa hingga 1000 kali lebih cepat daripada kajian sebelumnya.
"Ini adalah model pertama yang kami ketahui bahawa anda memulakan dengan struktur yang cukup sederhana untuk nebula suria dari mana planet terbentuk, dan berakhir dengan sistem planet raksasa yang kita lihat," kata penulis kajian Harold Levison, seorang astronom di Southwest Research Institute (SwRI) di Colorado, memberitahu Space.com pada tahun 2015.
Pada tahun 2012, penyelidik Michiel Lambrechts dan Anders Johansen dari Universiti Lund di Sweden mencadangkan agar kerikil kecil, setelah dihapus, memegang kunci untuk membangun planet gergasi dengan cepat.
"Mereka menunjukkan bahawa sisa kerikil dari proses pembentukan ini, yang sebelumnya dianggap tidak penting, sebenarnya dapat menjadi solusi besar untuk masalah pembentukan planet ini," kata Levison.
Levison dan pasukannya membuat kajian itu untuk memodelkan dengan lebih tepat bagaimana kerikil kecil dapat membentuk planet yang terlihat di galaksi hari ini. Walaupun simulasi sebelumnya, kedua-dua objek bersaiz besar dan sederhana memakan sepupu mereka yang berkerikil dengan kadar yang relatif tetap, simulasi Levison menunjukkan bahawa objek yang lebih besar bertindak seperti pembuli, merampas kerikil dari massa pertengahan untuk tumbuh dengan jauh lebih cepat kadar.
"Objek yang lebih besar sekarang cenderung menyebarkan yang lebih kecil daripada yang lebih kecil menghamburkannya ke belakang, jadi yang lebih kecil akhirnya tersebar dari cakera kerikil," kata penulis bersama kajian Katherine Kretke, juga dari SwRI, kepada Space.com. . "Orang yang lebih besar pada dasarnya membuli yang lebih kecil sehingga mereka dapat memakan semua kerikil itu sendiri, dan mereka dapat terus tumbuh untuk membentuk inti planet raksasa."
Peningkatan kerikil lebih cenderung berfungsi untuk planet raksasa daripada dunia terestrial. Menurut Sean Raymond, dari University of Bordeaux dari Perancis, itu kerana "kerikil" sedikit lebih besar dan lebih mudah dipegang melewati garis salji, garis khayalan di mana gas cukup sejuk untuk menjadi ais.
"Untuk kerikil, pastinya lebih baik melewati garis salji," kata Raymond kepada Space.com.
Walaupun penambahan batu kerikil berfungsi dengan baik untuk raksasa gas, terdapat beberapa cabaran untuk raksasa ais. Ini kerana zarah berukuran milimeter hingga sentimeter terkumpul dengan sangat berkesan.
"Mereka terakumulasi dengan begitu cepat sehingga sukar bagi inti gergasi ais pada kira-kira jisim inti semasa untuk pecahan yang signifikan sepanjang hayat cakera sambil menambah sampul gas," tulis Frelikh dan Murray-Clay.
"Untuk mengelakkan pelarian, mereka mesti menyelesaikan pertumbuhannya pada waktu tertentu, ketika cakera gas habis, tetapi tidak sepenuhnya habis."
Pasangan ini mencadangkan agar sebahagian besar gas masuk ke inti Uranus dan Neptunus bertepatan dengan pergerakan mereka menjauh dari matahari. Tetapi apa yang dapat membuat mereka mengubah rumah mereka di tata surya?
Model yang bagus
Pada asalnya, para saintis berpendapat bahawa planet-planet terbentuk di bahagian yang sama dari sistem suria yang mereka tinggali sekarang. Penemuan eksoplanet mengejutkan, menunjukkan bahawa sekurang-kurangnya beberapa objek paling besar dapat berhijrah.
Pada tahun 2005, tiga makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature mengusulkan agar Uranus dan planet gergasi lain terikat dalam orbit dekat bulat jauh lebih padat daripada yang ada sekarang. Sebilangan besar batu dan es mengelilinginya, membentang sekitar 35 kali jarak Bumi-matahari, tepat di luar orbit Neptunus sekarang. Mereka menyebutnya sebagai model Nice, setelah bandar di Perancis di mana mereka pertama kali membincangkannya. (Itu disebut Neese.)
Semasa planet berinteraksi dengan badan yang lebih kecil, mereka menghamburkan sebahagian besar ke arah matahari. Proses itu menyebabkan mereka menukar tenaga dengan objek, menghantar Saturnus, Neptunus dan Uranus lebih jauh ke sistem suria. Akhirnya benda-benda kecil itu mencapai Musytari, yang menghantarnya terbang ke pinggir sistem suria atau benar-benar keluar dari sana.
Pergerakan antara Musytari dan Saturnus mendorong Uranus dan Neptunus ke orbit yang lebih eksentrik, menghantar pasangan melalui cakera es yang tinggal. Sebilangan bahan dilemparkan ke dalam, di mana ia menabrak planet-planet daratan semasa Pengeboman Berat Akhir. Bahan lain dilemparkan ke luar, membuat Kuiper Belt.
Ketika mereka bergerak perlahan ke arah luar, Neptune dan Uranus bertukar tempat. Akhirnya, interaksi dengan puing-puing yang tersisa menyebabkan pasangan itu menetap ke jalan yang lebih bulat ketika mereka mencapai jarak saat ini dari matahari.
Sepanjang perjalanan, ada kemungkinan satu atau dua planet gergasi lain dikeluarkan dari sistem. Astronom David Nesvorny dari Southwest Research Institute di Colorado telah memodelkan sistem suria awal untuk mencari petunjuk yang dapat menyebabkan pemahaman sejarah awalnya.
"Pada masa-masa awal, sistem suria sangat berbeza, dengan lebih banyak planet, mungkin sebesar Neptunus, terbentuk dan tersebar ke tempat yang berlainan," kata Nesvorny kepada Space.com.
Seorang pemuda yang berbahaya
Sistem suria awal adalah masa tumbukan ganas, dan Uranus tidak terkecuali. Walaupun permukaan bulan dan Merkuri keduanya menunjukkan bukti pengeboman oleh batu dan asteroid yang lebih kecil, Uranus nampaknya mengalami perlanggaran yang signifikan dengan protoplanet seukuran Bumi. Akibatnya, Uranus tergelincir di sisinya, dengan satu tiang menunjuk ke arah matahari selama setengah tahun.
Uranus adalah gergasi ais terbesar, mungkin sebahagiannya kerana kehilangan sebahagian besarnya semasa hentaman.
