Enligt en ny studie i tidskriften Nature går det att spåra hur det gick till när jorden och de andra inre planeterna i solsystemet kom till i solsystemets begynnelse. Genom att jämföra mängderna av olika sorters kisel i jordens mantel och från meteoriter går det att se om planeter främst växt fram av att äta stora mängder smågrus eller om de blev till under stora nedslag under lång tid.
Exakt hur det går till när planeter bildas runt unga stjärnor har länge diskuterats. Klarlagt från simuleringar och observationer är att när en stjärna bildas så bildas även en skiva av gaser, stoft och grus runt stjärnan som kallas för en protoplanetär skiva. Inuti skivan bildas då planeter. Planeterna och stjärnan i ett solsystem bildas alltså tillsammans. Frågan är bara exakt hur det går till när planeter bildas och hur lång tid det tar. Äldre teorier har länge kämpat med att planetbildandet tar för lång tid, drygt 50 miljoner år, kanske till och med 100 miljoner år. Problemet med att det skulle ta så lång tid är att själva byggmaterialet, den protoplanetära skivan, inte finns kvar så länge. Materialet faller sakta ned i den blivande stjärnan i mitten och när den är tung nog startar kärnreaktioner i den som i sin tur ger en stark solvind som blåser bort resten av byggmaterialet.
Den äldre teorin bygger på att planeter bildas i skivan då stoft och grus klumpar ihop sig till stenar som i sin tur kolliderar och växer ihop till ännu större sten- och isklumpar, så kallade planetesimaler, och därefter till protoplaneter och i slutändan planeter. Dock är kollisioner mellan större objekt relativt ovanliga vilket är anledningen till att det enligt den teorin skulle ta längre tid för planeter att bildas.
Den nyare teorin som på svenska fått namnet ”småstensteorin” har på sistone fått ökat stöd. Den visar hur planeter kan bildas på mycket kortare tid, på bara runt 5 miljoner år. I denna bildas planeter istället av ett ständigt inflöde av grus och stoft. Ansamlingar av grus och stoft blir såpass tunga att deras dragningskraft drar åt sig än mer stoft från skivan runt omkring dem. I realiteten är modellen mycket mer komplicerad och bygger på ett avancerat samspel mellan dynamik och gravitation. Simuleringar av detta görs av Anders Johansen, professor vid Lunds universitet och Köpenhamns universitet. Han har länge lett forskning inom området och berättar om modellen över epost.
– Småstensteorien utvecklades först för att förklara bildandet av gasjättarna Jupiter och Saturnus samt isjättarna Uranus och Neptunus. Det är nu allmänt accepterat att dessa måste ha växt sig så stora genom att fånga in småstenar. Men samma småstenar rör sig långsamt in mot stjärnan. Då är det logiskt att stenplaneter som jorden som bildas nära stjärnan också växer genom småstensinfångning. Faktiskt har över 100 gånger jordens massa i småstenar passerat genom inre delen av solsystemet där stenplaneterna kretsar idag! Det är svårt att föreställa sig att dessa inte har bidragit till stenplaneternas bildning då.
– Blåvalar är väl en bra analogi till småstensteorin. De största djuren som någonsin funnits på jorden lever av att äta några av de minsta (krill).
Anders Johansen har också medverkat till studien i Nature om kisel i jordens mantel och på andra ställen i solsystemet. I studien jämför de andelarna av stabila isotoper hos kisel. Isotoper är atomer som har samma antal protoner men olika antal neutroner i sin kärna – de har samma laddning men väger olika mycket. Mer om studien i Lund universitets pressmeddelande och i en Twittertråd på plattformen X av Anders Johansen.
– Kisel är, utöver syre och magnesium, det vanligaste grundämnet i jorden. Det var häftigt då att se data för kisel som visar helt tydligt att detta grundämnets isotopfördelning i jordens mantel bara kan förklaras genom ett signifikant bidrag från småstenar från yttre delen av solsystemet.
I Nature-artikeln jämförs andelarna kiselisotoper i jorden med meteoriter från asteroidbältet. Om äldre teorier om att planeter växte fram från kollisioner mellan större objekt stämmer så borde jordens kiselisotoper stämma överens med någon av de många klasser av meteoriter som kommer från solsystemet. Istället stämmer de inte överens med någon av dem. Dock så stämmer jordens, och planeten Mars, kiselsammansättning överens med vad man förväntar sig av småstensteorin.
En snabb bildningsprocess som är kortare än 5 miljoner år medför att den nybildade jorden var väldigt varm, cirka 3000-4000 grader på ytan. Det leder till ytterligare en upptäckt; varför en del grundämnens isotoper verkar saknas på jorden.
– Detta förångade vissa mineraler som satt i småstenarna och vi kan se på grundämnen som till exempel Molybden att några av dess isotoper fattas. Det var en stor kritik av småstensteorien att Molybden inte passar in, men här visar vi att detta beror på den höga temperatur som jorden hade när planeten bildades snabbt.
Sammantaget är detta ett av många exempel på hur en teori kan växa fram och få stöd från vitt skilda vetenskapliga områden. Småstensteorin är en produkt av observationer av andra solsystem, studier av vårt eget solsystem, geologi på jorden och många och långa avancerade simuleringar.
Omslagsbild: Konstnärlig illustration av en planetbildande skiva. Bild: NASA/FUSE/Lynette Cook
