Misteri-misteri besar alam semesta sering berputar di sekeliling fenomena yang jauh dan tidak kelihatan. Para saintis membayangkan mengenai letupan gelombang radio yang tidak dapat diterangkan, sifat graviti yang sukar difahami dan sama ada tenaga gelap merangkumi alam semesta. Tetapi lain-lain enigmas boleh didapati di sudut kita sendiri galaksi, menatap kita betul-betul di muka-seperti bagaimana bumi menjadi planet sekarang ini.
Persoalan ini terus mempesona para penyelidik yang bekerja untuk memahami bagaimana Bumi terbentuk dan mengapa ia sangat sesuai untuk menjadi tuan rumah kehidupan. Ia mungkin ternyata berbeza - hanya melihat jiran terdekat kita dan hampir berkembar, Venus, yang tidak mempunyai air cair dan permukaannya adalah 870 darjah Fahrenheit. "Venus dan Bumi adalah jenis kes kawalan utama, " kata Sue Smrekar dari Makmal Jet Propulsion NASA. "Kami tidak faham sepenuhnya bagaimana Bumi berakhir begitu boleh didiami dan Venus tidak dapat dihuni."
Itu agak mengejutkan, memandangkan Bumi adalah planet yang paling banyak dikaji di alam semesta. Tetapi proses geologi seperti plat tektonik sentiasa mengitar semula bukti masa lampau, dan banyak maklumat kritikal mengenai solek Bumi terletak pada kedalaman yang luas dan tidak dapat diakses. "Anda cuba memahami planet yang anda hanya boleh sampel di permukaan, " kata James Badro, ahli geofizik di Institut Fizik Bumi di Paris. Walaupun saintis telah mengumpulkan banyak pengetahuan daripada mempelajari tanah di bawah kaki kita, kisah penuh pembinaan dan evolusi bumi masih tidak diketahui.
Jadi penyelidik telah beralih ke langit untuk mendapatkan bantuan. Mereka telah mengkaji sistem bintang lain mencari petunjuk, dan mencari blok bangunan Bumi di antara sistem solar. Sekarang, satu suite misi ruang yang dirancang dan dicadangkan dapat membantu saintis mengisi lebih banyak potongan yang hilang.
Dari mengkaji aspek-aspek baru badan protoplanetary untuk membantah di mana mereka datang dan bagaimana mereka bercampur sama, para penyelidik berharap untuk menghancurkan proses pembentukan planet yang mencipta Bumi. Bagi ramai, ia adalah satu lagi usaha falsafah sebagai saintifik. "Ini adalah persoalan asal usul kami, " kata Badro.
Kesan seorang artis terhadap misi yang dicadangkan untuk Psyche, asteroid dianggap sepenuhnya logam. (NASA / JPL-Caltech) Kebanyakan penyelidik kini bersetuju mengenai sejarah umum sistem solar kita. Ia bermula 4.6 bilion tahun yang lalu, apabila awan gas dan debu yang luas terapung di ruang runtuh ke atas dirinya sendiri, mungkin dicetuskan oleh gelombang kejutan supernova berdekatan. Muncul awan kemudian berputar ke cakera berputar dari mana-kira-kira 100 juta tahun kemudian-sistem suria kita muncul dalam keadaan lebih kurang sekarang: matahari dikelilingi oleh lapan planet dan banyak badan kecil yang tersebar di seluruh dunia.
Butiran yang lebih jelas tentang bagaimana kejiranan kosmik kita terbentuk, bagaimanapun, tetap bertentangan. Sebagai contoh, saintis masih membahaskan apa planet dibuat. "Kami tahu apa yang kelihatan seperti kek, " kata Lindy Elkins-Tanton dari Arizona State University, "tetapi kami ingin tahu sama ada semua bahan individu itu kelihatan seperti itu, " katanya.
Para saintis berfikir bahawa planet-planet terestrial tumbuh dengan menggali objek-objek planet yang lebih kecil sehingga puluhan mil diameter yang terkumpul dari debu protoplaneter. Tetapi komposisi dan struktur planetesimal itu sukar untuk ditentukan. Mengkaji koleksi meteorit-serpihan asteroid yang jatuh ke Bumi-adalah tempat yang baik untuk memulakan, kata Francis Nimmo, seorang saintis planet di University of California, Santa Cruz. Tetapi ia tidak mencukupi.
Itu kerana kita tidak semestinya mempunyai sampel segala-galanya yang masuk ke dalam planet-beberapa komponen mungkin hilang atau tidak lagi wujud sama sekali. Sesetengah meteorit sepertinya sesuai untuk Bumi, tetapi saintis tidak dapat menghasilkan kombinasi jenis meteorit yang sepenuhnya menjelaskan komposisi kimia Bumi. "Ini agak tidak selesa kerana ia bermakna kita tidak tahu bagaimana bumi disatukan, " kata Nimmo.
Elkins-Tanton berharap misi masa depan yang dicadangkan-salah satu daripada lima finalis untuk program Penemuan NASA-mungkin dapat membantu. Projek itu, yang diketuai oleh Elkins-Tanton, akan menghantar kapal angkasa tanpa pemandu untuk melawat objek yang dipanggil Psyche, yang terletak di tali pinggang asteroid antara Mars dan Musytari. Psyche kira-kira 150 batu lebar dan, berdasarkan pemerhatian jarak jauh terhadap kepadatan dan komposisi permukaannya, nampaknya diperbuat daripada logam pepejal. Ia juga boleh menyerupai blok bangunan Bumi.
"Ini mungkin merupakan teras kecil badan yang terbentuk di rantau pembentukan planet terestrial dan hanya terkena banyak perkara lain dan mempunyai luarannya yang dilukis, " kata Elkins-Tanton. Pada misi Dawn NASA, saintis mengkaji asteroid Vesta, sebuah protoplanet yang mungkin juga dibentuk berhampiran Bumi dan kemudian ditendang ke tali pinggang asteroid. Walau bagaimanapun, ia adalah peluang yang unik untuk melihat apa yang terletak di bawah permukaan objek seperti Vesta yang mempunyai Elkins-Tanton teruja.
"Psyche adalah satu-satunya badan dalam sistem solar yang membolehkan kita mengamati teras logam, " katanya. "Ini mungkin satu-satunya peluang kami untuk melihat bahan semacam ini." Bersama dengan peserta akhir Discovery lain, Elkins-Tanton dan rakan-rakannya akan mengetahui pada bulan September jika misi itu pergi.
Menurut model klasik pembentukan planet, sekali planet mencapai julat Psyche beratus-ratus batu di seberang-mereka mula dapat menolong tetangga mereka, kata Kevin Walsh, seorang saintis planet di Institut Penyelidikan Southwest di Boulder, Colorado. "Yang paling besar berkembang dengan pesat, " katanya, berkat pengaruh graviti mereka yang semakin meningkat.
Proses penambahan ini akan memenangi bilangan badan dalam sistem suria hingga mungkin seratus bulan ke embrio planet berukuran Mars dan menghancurkan serpihan yang lebih kecil. Lama kelamaan, embrio ini perlahan-lahan digabungkan untuk membentuk planet.
Tetapi sementara penjelasan ini berfungsi dengan baik untuk planet terestrial, yang menunjukkan bukti geologi dibentuk sepanjang 30 hingga 100 juta tahun, ia memberikan masalah kepada gergasi gas seperti Musytari. Para saintis berpendapat bahawa teras-badan ini terpaksa tumbuh lebih pantas dengan cepat untuk menangkap atmosfera yang besar dari gas yang ada di sistem solar awal, yang hilang dalam beberapa juta tahun.
Sepanjang dekad yang lepas, para penyelidik telah membangunkan mekanisme alternatif bagi planet-planet yang semakin meningkat yang dikenali sebagai pertambahan kerikil. Ia mewakili pemisahan yang luar biasa dari model pertambahan konvensional, di mana objek digabungkan untuk membentuk zarah yang semakin besar. Atau, sebagai Hal Levison, rakan sekerja Walsh, meletakkannya: "Kerikil membuat batu-batu, dan batu-batu membuat gunung-gunung." Pertambahan kerikil, meramalkan bahawa objek tumbuh dari benjolan bersaiz tinja ke badan berukuran Pluto hampir serta-merta, dan kemudian terus meningkat, kata Levison, yang membantu membangunkan hipotesis.
Proses ini akan bermula sejurus selepas pembentukan cakera protoplanet, apabila bit debu yang mengelilingi matahari muda mula bertabrakan dan melekat bersama, seperti skaters yang disegerakkan yang menyertainya sambil mengelilingi gelanggang ais. Akhirnya, angkatan aerodinamik dan graviti akan menarik kelompok besar kerikil ini bersama-sama, membentuk planet. The planetesimals kemudian terus menyapu batu-batu kecil yang tersisa di sekeliling mereka, dengan cepat berkembang sehingga mereka membentuk planet.
Di samping menangani persoalan bagaimana gergasi gas berkembang begitu pesat, model itu juga menyediakan cara untuk mengatasi sesuatu yang dipanggil penghalang saiz meter, yang telah melanda model akumulasi planet sejak ia mula digariskan pada tahun 1970-an. Ia merujuk kepada hakikat bahawa apabila objek mencapai kira-kira tiga kaki diameter, geseran yang dihasilkan oleh gas di sekelilingnya akan menyebabkan mereka melayang ke matahari. Pertambahan kerikil membantu melancarkan zarah-zarah kecil di ambang, menjadikannya cukup besar untuk memegang sendiri.
Para saintis masih cuba memahami sama ada proses ini berlaku di seluruh sistem solar, dan sama ada ia akan dimainkan dengan cara yang sama untuk planet dalam dan luar. (Walaupun ia berfungsi untuk gergasi gas, tahap pertumbuhan yang pesat kemudiannya tidak sesuai dengan apa yang kita ketahui mengenai pembentukan planet terestrial). Tetapi para penyelidik mungkin mendapati beberapa petunjuk akhir tahun ini, ketika misi Juno NASA, yang berjaya mencapai Musytari bulan lalu, mulai mengumpulkan informasi tentang komposisi dan inti planet.
Walsh berkata memikirkan betapa banyak kebohongan material di pusat gas gergasi itu akan membantu penyelidik mengekang model yang berbeza dari pertambahan planet. Sekiranya Musytari mempunyai teras kecil, pertambahan klasik mungkin dapat membinanya dengan cepat; jika ia besar, ia mungkin menyiratkan sesuatu seperti aksen kerikil berlaku sebaliknya, katanya.
Musytari dan bulannya Io, Europa dan Ganymede seperti yang difoto oleh misi Juno sejurus selepas kapal angkasa memasuki orbit sekitar gergasi gas. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Memahami bagaimana Jupiter terbentuk juga akan membantu penyelidik memahami asal usul planet lain, termasuk Bumi. Itu kerana Musytari telah dituduh bercakap dengan pembinaan planet berbatu batin, sekurang-kurangnya mengikut idea baru yang dikembangkan oleh Walsh dan yang lain yang mendapat daya tarikan dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Hipotesis, yang dikenali sebagai model Grand Tack, mencadangkan bahawa apabila Jupiter selesai dibentuk, ia akan membersihkan semua bahan di jalannya di sekitar matahari, dengan berkesan mengukir jurang dalam cakera protoplanet. Bagaimanapun, cakera itu masih mengandungi banyak gas dan habuk, yang ditekan ke arah matahari ketika cakera meratakan dan diregangkan, kata Walsh.
Jurang jupiter berkesan menyekat aliran bahan ini, dan planet itu "terjebak dalam banjir, " kata Walsh. Ia bermigrasi ke sekitar orbit Mars dengan ditutup Saturnus pada tumitnya. Tetapi sebagai Saturn diikuti, ia trailed bahan yang cukup untuk menyambung semula cakera. Ini mengeluarkan tekanan yang mendorong pada Musytari, yang membolehkan kedua-dua planet memindahkan keluar lagi, semua dalam ruang beberapa ratus ribu tahun. Model itu diilhamkan oleh pengamatan planet-planet yang memerintahkan aneh di sistem suria lain yang menunjukkan migrasi seperti biasa, kata Walsh.
Untuk seluruh sistem suria, ini sepertinya sepasang banteng di kedai kosmik China. Bit dari puing-puing dari sistem solar dalaman akan mendapat ditendang sementara kekacauan dari sistem luar akan diseret, kata Walsh. Model ini membantu menerangkan dimensi runtuhan saiz Marikh dan bilangan dan kepelbagaian badan yang ditemui hari ini dalam tali pinggang asteroid.
Ia juga memberi penjelasan mengenai bagaimana planet-planet terestri mendapat air mereka. Menurut Grand Tack, penghijrahan planet bumi akan berlaku ketika planet-planet terestrial masih terbentuk, dan dapat melemparkan bahan yang kaya dengan air dari sistem surya luar ke dalam campuran. Walsh dan saintis lain berpendapat bahawa asteroid karbida, yang mungkin terbentuk di luar Musytari, adalah kenderaan utama untuk menyampaikan air ke Bumi.
September ini, NASA akan melancarkan misi untuk melawat salah satu asteroid yang dinamakan Bennu. Walsh adalah penyiasat bersama dalam projek itu, yang dipanggil OSIRIS-REx, yang akan mengkaji tubuh dari jauh sebelum mengambil contoh untuk membawa kembali ke Bumi. Misi serupa oleh agensi angkasa Jepun, yang dipanggil Hayabusa 2, berada di landasan yang betul untuk mencontohkan asteroid karbon lain pada tahun 2018.
Para saintis berharap untuk mengetahui lebih lanjut mengenai asal asteroid ini, dan sama ada mereka adalah sumber kelas meteorit yang dikenali sebagai chondrite berkarbonat. Mereka juga berharap agar mengkaji sampel yang murni-bukannya serpihan meteorit-akan membantu mengungkap sama ada benda-benda ini menyampaikan bukan sahaja air ke Bumi, tetapi sebatian organik yang mungkin telah menjadi pelopor untuk kehidupan.
Apabila OSIRIS-REx kembali ke Bumi, ia boleh menyeberang jalan dengan Lucy, satu lagi misi yang dicadangkan yang, seperti Psyche, adalah finalis dalam program Discovery. Diketuai oleh Levison, Lucy bertujuan untuk meneroka goncangan utama yang terakhir yang mengguncang sistem suria kita-sebuah planet tango yang bermula kira-kira 500 juta tahun selepas Grand Tack. Itulah ketika, menurut hipotesis oleh Levison dan lain-lain, Pluto mencetuskan ketidakstabilan yang menyebabkan Neptunus melompat di luar Uranus dan gergasi gas luar untuk berpindah dari matahari ke kedudukan mereka sekarang.
Gangguan ini, yang dikenali sebagai model Nice, akan menghantar hujan runtuhan yang melanda ke dalam sistem solar dalaman, mungkin menjelaskan kluster kesan yang terbentuk dalam tempoh yang dikenali sebagai Pengeboman Berat Akhir. Planet terestrial, seperti Bumi, kebanyakannya dibentuk oleh titik ini, jadi peristiwa itu tidak menjejaskan komposisi mereka. Tetapi ia mungkin telah dibuangkan kepada para saintis yang cuba memahami bagaimana sistem suria berkembang. Gangguan itu mungkin telah melenyapkan objek ke dalam sistem solar dalaman yang tidak mempunyai kaitan dengan bahan yang membentuk sebahagian besar planet terestrial, kata Walsh.
Lucy dapat membantu para saintis memikirkan apa yang sebenarnya berlaku dan membolehkan mereka menguraikan apa yang bercampur di mana. Ia akan menyelesaikannya dengan menyiasat sekumpulan asteroid yang dikunci ke orbit Jupiter. Objek-objek ini, yang dikenali sebagai Trojan Jovian, adalah campuran badan-badan yang terbentuk di seluruh sistem solar luar dan kemudian dibuang bersama semasa migrasi.
Pada pertengahan 2020an, apabila misi itu akan sampai kepada mereka, Trojans akan berorientasikan hanya dalam konfigurasi yang tepat untuk kapal angkasa untuk membuat lawatan besar ke enam badan. "Saya telah menyembah tuhan-tuhan mekanik langit untuk seluruh karier saya, " kata Levison, seorang dinamika planet. "Mereka memutuskan untuk membayar saya kembali, kerana planet-planet secara sejajar menjajarkan."
Levison berkata mengkaji semula Trojanya akan memberi para penyelidik idea yang lebih jelas tentang bagaimana pencampuran model Nice berlaku, dan juga boleh memberikan ujian pertambahan kerikil. Hipotesis itu meramalkan bahawa apa-apa yang lebih kecil daripada kira-kira 60 batu di seberang sebenarnya mesti menjadi satu pecahan badan yang lebih besar. Itu ramalan Lucy sepatutnya dapat menguji.
Kesan seorang artis terhadap permukaan Venus, di mana suhu adalah 870 darjah Fahrenheit. (ESA / AOES Medialab) Bersama-sama, misi-misi ini muncul sebagai pemahaman ahli sains lebih jauh mengenai asal-usul Bumi, mungkin dalam cara para penyelidik tidak dapat membayangkan lagi. Lagipun, membina gambaran yang kukuh mengenai pembentukan planet memerlukan gabungan data dari pelbagai sumber, kata David Stevenson, ahli sains planet di Caltech.
Walau bagaimanapun, kita masih jauh untuk pergi sebelum kita memahami apa yang menjadikan Bumi dan Venus begitu berbeza. "Ini adalah malu, hampir, di sini kita, duduk di Bumi, dan kami mempunyai planet besar yang terdekat ini kepada kami yang kami sangat tidak faham, " kata Stevenson. "Sebab kami sangat jahil adalah panas!"
Sesungguhnya keadaan neraka di permukaan Venus telah menimbulkan usaha untuk mempelajari planet ini secara terperinci. Rusia berjaya mendarat siri kapal angkasa di permukaan antara 1960-an dan 80-an. Mereka hanya terselamat selama beberapa jam dan menghantar data kilat ringkas sebelum menunaikan haba. Tetapi misi-misi ini dan lain-lain, seperti NASA Pioneer dan Magellan, yang mengkaji planet ini dari jauh, memberikan gambaran ke dalam kerja-kerja planet ini.
Sebagai contoh, kita tahu bahawa Venus mempunyai suasana rumah hijau yang sengit yang hampir seluruhnya terbentuk daripada karbon dioksida dan nampaknya telah kehilangan sebahagian besar permukaan airnya. Ini mungkin adalah apa yang menghalangi tektonik plat daripada berlaku di sana - air difikirkan untuk merapikan roda plat subducting. Ia juga mungkin menjelaskan mengapa Venus tidak mempunyai medan geomagnetik, yang banyak saintis menganggap penting untuk kehidupan kerana ia melindungi planet ini dari kerosakan angin matahari. Bidang geomagnetik dihasilkan oleh perolakan di inti badan, kata Nimmo, dan bergantung kepada peredaran mantel - sering terikat pada tektonik plat - untuk mengangkut haba.
Apa yang dikehendaki oleh para saintis lebih daripada apa-apa adalah contoh permukaan batu Venus, tetapi itu tetap menjadi matlamat yang jauh. Untuk masa hadapan, para penyelidik perlu menyelesaikan pemerhatian yang lebih jauh, seperti yang ada dalam misi Jepun semasa. Pada awal tahun ini, kapal angkasa Akatsuki akhirnya mula menyampaikan data dari orbitnya di sekitar Venus selepas jalan memutar lima tahun yang tidak dirancang di sekitar matahari.
Di samping itu, NASA sedang mempertimbangkan dua lagi misi yang berpusat di Venus sendiri yang juga merupakan finalis Discovery. Satu projek, yang dipanggil VERITAS, diketuai oleh Smrekar dan akan melibatkan seorang orbiter yang mampu mempelajari geologi planet dalam definisi tinggi. Misi yang dicadangkan kedua, yang diketuai oleh Lori Glaze dari Goddard Space Flight Centre, akan menganalisis suasana unik Venus dengan menggunakan siasatan yang dipanggil DAVINCI.
Harapannya adalah usaha-usaha ini akan mendedahkan mengapa Venus berkembang seperti yang dilakukannya, dan dengan itu, apa yang menjadikan bumi berbeza. Pada masa ini, ramai penyelidik berfikir Bumi dan Venus mungkin terbentuk dari kira-kira bahan yang sama kemudian tersebar dari masa ke masa kerana beberapa faktor. Ini termasuk kedekatan mereka dengan matahari, dan fakta bahawa Bumi mengalami perlanggaran besar yang agak lambat dalam sejarahnya-kesan yang membentuk bulan-yang akan mencair semula banyak planet dan berpotensi mengubah dinamiknya.
Tetapi sehingga kita tahu lebih banyak tentang bagaimana planet-planet dalam sistem suria kita terbentuk dan proses apa yang membentuk evolusi mereka, kita tidak akan tahu apa yang membezakan planet yang ramah dari satu tandus, kata Walsh. "Kami mempunyai teleskop dalam ruang yang memburu planet berukuran Bumi di sekitar bintang lain, tetapi kami tidak tahu jika planet akan berubah menjadi Venus atau ke Bumi, " katanya. "Dan itulah permainan bola keseluruhan, pada tahap tertentu."
