Surorile Soarelui

2015 in Stiinta

Soarele s-a nascut intr-o familie de stele. Ce s-a intamplat cu ea?

Adesea, oamenii au privit cerul noptii gandindu-se la singuratate. Noaptea este neagra pentru ca, in termeni cosmici, soarele nostru si planetele sale sunt extrem de izolate. Stelele vecine sunt atat de departe de noi incat ne apar ca mici pete de lumina, in vreme ce stelele mai indepartate sunt incetosate intr-o plapanda stralucire. Celor mai rapide sonde spatiale pe care omenirea le-a lansat le vor trebui zeci de mii de ani pentru a strabate distanta pana la cea mai apropiata stea. Suntem izolati - o mica insula intr-un ocean cosmic.

Totusi, nu toate stelele sunt atat de izolate. Aproximativ una din zece apartine unui grup (nor) de stele - roiuri de sute pana la zeci de mii de stele, cu diametre de cativa ani-lumina. De fapt, majoritatea stelelor se nasc in grupuri de acest fel, ce se disperseaza de-a lungul a miliarde de ani, fiecare stea gasindu-si apoi locul in galaxie. Cum e cu soarele nostru? Oare, si el, si-a inceput existenta intr-un nor de stele? Daca da, inseamna ca locul nostru in galaxie nu a fost intotdeauna atat de singuratic. A devenit asa de-a lungul timpului.

La inceputurile sistemului solar cerul noptii era atat de luminos incat puteai citi la lumina lui, daca cineva ar fi trait pe atunci. Mai mult sau mai putin de 1000 de stele s-au format la cativa ani-lumina distanta, din acelasi nor de praf interstelar ca si soarele nostru.

Concepte de baza

Un volum din ce in ce mai mare de dovezi sugereaza acest lucru. Chiar daca, in mod conventional, se credea despre soare ca s-ar fi nascut singur, multi astronomi cred astazi ca el a fost doar unul dintre cei aproximativ 1000 de sori nascuti aproape in acelasi timp cu el. Daca am fi trait chiar la inceputul formarii sistemului solar, spatiul cosmic nu ni s-ar fi parut de loc gol. Cerul noptii era plin de stele luminoase, unele la fel de stralucitoare ca luna plina. Unele ar fi fost vizibile si ziua. Daca am fi privit cerul, ne-ar fi durut ochii.

Grupul de stele in care probabil s-a nascut soarele nu mai exista de mult. Pornind de la informatiile existente, se poate face o presupunere despre cum arata acesta. Se pot face calcule legate de posibilele traiectorii ale surorilor soarelui si actuala lor pozitie. Chiar daca acestea s-au amestecat cu milioane de alte stele cu care nu sunt inrudite, ele pot fi identificate cu ajutorul satelitului GAIA al Agentiei Spatiale Europene, lansat in 2011. Orbitele si compozitiile lor, asemanatoare cu cele ale soarelui ar trebui sa le dea de gol pozitia. Identificarea lor ar ajuta astronomii sa-si imagineze conditiile initiale ce au facut ca un nor diform de gaz cosmic sa dea nastere sistemului nostru solar.

Amintiri despre cand ne-am nascut

Cele mai convingatoare dovezi ca soarele ar avea rude apropiate au iesit la iveala in 2003, cand Shogo Tachibana, astazi profesor la Universitatea din Tokio si Gary S. Huss, Universitatea din Hawaii, Manoa, au analizat doi meteoriti primitivi despre care se crede ca ar fi ramasite aproape nealterate de la formarea sistemului solar. Ei au detectat Nichel60, produs al descompunerii radioactive a Fier60, in compusi chimici in care, in mod normal, nu ar trebui sa se gaseasca. Se pare ca un joc chimic ciudat a avut loc: initial, compusii s-au format din fier, fierul s-a metamorfozat in nichel, care a ramas legat pe loc, unde nu ar fi trebuit sa se afle.

Fier60 trebuie sa fi fost sintetizat, introdus in sistemul solar si incastrat in meteoriti in decursul timpului sau de injumatatire radioactiva, estimat la 2,6 milioane de ani - cat ai clipi din ochi la scara cosmica. Prin urmare, fierul trebuie sa fi provenit de undeva din apropiere, iar sursa cea mai plauzibila este explozia unei supernove. Pe aceasta baza si a altor masuratori izotopice, Leslie Looney de la Universitatea din Illinois si colaboratorii sai au dedus ca supernova s-ar fi produs la o distanta de pana 5 ani-lumina, atunci cand soarele avea doar 1,8 milioane de ani. Aceasta s-ar fi putut produce chiar la doar 0,07 ani-lumina de soare. (Noile estimari ale timpului de injumatatire vor schimba aceste valori, dar nu semnificativ.)

Daca soarele ar fi fost la fel de singur ca si acum, locatia si sitauarea in timp a supernovei ar reprezenta o coincidenta uimitoare. Oare masiva stea se afla doar in trecere, cand s-a decis sa explodeze? Nici o alta supernova nu s-a declansat atat de aproape; daca ar fi facut-o, cel mai probabil ar fi sters orice urma de viata de pe suprafata Pamantului. O explicatie mult mai plauzibila este ca steaua nou-nascuta si cea care a explodat au fost vecine intr-un grup de stele. Fiind atat de apropiate unele de altele, o supernova in proximitatea soarelui nu mai reprezinta o improbabilitate.

Nori stralucitori de stele

Ideea ca soarele s-a nascut intr-un nor de stele contravine modelului clasic in care este descris, inca prezent in manuale. Traditional, astronomii au clasificat norii de stele in doua categorii: asa-numiti galactici, sau deschisi si cei globulari. In prima categorie intra norii tineri, slab populati si localizati in planul galaxiei noastre sau in apropierea lui. Un exemplu tipic este Praesepe, cunoscuta si sub numele de Norul Beehive (stup de albine) sau M44. A fost unul dintre primele obiecte ceresti asupra carora si-a indreptat Galileo telescopul acum 400 de ani, in 1609.Ceea ce arata initial ca o pata de lumina s-a dovedit a fi o suprafata cu o multitudine de stele - pana la 350, toate aparute acum 700 milioane de ani.

In contrast, norii globulari sunt foarte batrani, foarte dens populati si se gasesc peste tot in galaxie, nu doar in planul acesteia. Primul a fost descoperit in 1746 de astronomul italian Giovanni Maraldi si este cunoscut ca M15. Contine aproximativ un milion de stele si este vechi de 12 miliarde de ani.

Problema e ca nici una din aceste categorii nu se potriveste soarelui nostru. Varsta sa inaintata de 4,6 miliarde de ani sugereaza ca ar fi trebuit sa se nasca intr-un nor globular, dar fiind localizat in planul galaxiei sugereaza un norgalactic. In ultimele doua decenii, cercetatorii au aflat ca nu toti norii stelari se potrivesc in aceste doua, clasice, categorii.

Ceea ce i-a pus pe ganduri a fost descoperirea norului R136, aflat in una din micile galaxiile satelit ale Caii Lactee, Marele Nor al lui Magellan. Observat pentru prima oara in 1960, despre R136 se credea, initial, ca ar fi o singura stea gigant, de 2000 de ori mai mare decat soarele nostru si de 100 de milioane de ori mai stralucitoare. Dar, in 1985, Gerd Weigelt si Gerhard Baier de la Universitatea din Erlangen-Nurnberg, Germania, folosind noile tehnici de procesare a imaginilor de inalta rezolutie au aratat ca R136 este, de fapt, un nor de aproximativ 10000 de stele, cu o varsta de cateva milioane de ani. Este la fel de dens ca un nor globular si la fel de tanar ca unul galactic. Avand caracteristici din ambele categorii, R136 s-a demonstrat a fi veriga lipsa dintre cele doua. De atunci, astronomii au descoperit alti cativa nori asemanatori lui R136, chiar in galaxia noastra. Alte galaxii, cum ar fi Antennae, contin sute, daca nu mii de astfel de nori.

Norul de stele R136, situat in regiunea cunoscuta sub numele de Nebuloasa Tarantula, este similar (dar mult mai dens) norului din care s-a nascut soarele nostru.

Descoperirea ca stelele continua sa ia nastere in grupuri atat de dense incat pot fi usor confundate cu o singura stea a fost remarcabila. A adus consternare intre teoreticieni. Pe de alta parte, a adus usurare, pentru ca nimeni nu reusise sa explice cum de R136 ar fi o singura stea. Dar, trebuiau regandit tot ceea ce credeam ca stim despre norii stelari. Astazi credem ca toate stelele, inclusiv soarele nostru, s-au nascut in nori densi asemanatori lui R136. Un grup de stele ia nastere dintr-un singur nor de gaz interstelar si, in timp, evolueaza fie intr-unul galactic, fie intr-unul globular, in functie de masa sa si mediul in care se afla.

Soarele nu a fost singurul copil

Cateva dovezi ce sugereaza ca soarele s-a nascut intr-un nor de stele:

Parintii nostri stelari

Stelele dintr-un nor stelar au mase diferite, cateva fiind masive, grele, in vreme ce cele mai multe vor avea o masa mai mica. Cele mai putin masive, cam 1/10 din masa soarelui nostru, sunt cel mai des intalnite, iar cu fiecare factor de 10 de crestere in masa, numarul stelelor va scade cu o rata de 20.

Astfel, pentru fiecare stea de 15-25 de mase solare - de marimea celei care a produs supernova din apropierea tanarului nostru soare - un nor de stele va contine undeva la 1500 de stele mai mici. Acest numar stabileste masa minima a grupului de stele unde s-a nascut soarele. Masa maxima va fi stabilita tinand cont ca, cu cat un nor stelar este mai mare, cu atat mai mult timp le trebuie stelelor masive sa migreze spre centrul sau, unde au cele mai mari sanse de a influenta stelele vecine. Pe baza unelor simulari, a reiesit ca numarul de stele ar fi fost undeva pe la 3500.

O stea cu masa de 15-25 de mase solare traieste de la 6 pana la 12 milioane de ani pana sa explodeze, deci trebuie ca s-a format cu atata timp inaintea soarelui nostru. In alte grupuri, cum ar fi celebrul Trapezium din Nebuloasa Orion, astronomii au descoperit ca stelele masive sunt primele ce se formeaza, in vreme ce stele precum soarele nostru apar cateva milioane de ani mai tarziu.

Un nor cu o asemenea masa ar fi fost mult prea subred pentru a evolua intr-un nor globular. In schimb, s-a dispersat dupa 100 - 200 de milioane de ani. Stelele masive din centrul sau imprastie gaze sub forma de vant stelar (similar, dar mult mai intens decat vantul solar) si in cele din urma au explodat, reducand densitatea materiei din nor si, prin urmare, diminuandu-i campul gravitational. In consecinta, norul s-a extins si probabil s-a faramat. Chiar daca a supravietuit pierderilor initiale de gaz, interactiunile dintre stele si fortele mareice exercitate de galaxie au dus la incetul cu incetul la disolutia acestuia.

Inainte de dezintegrarea norului, stelele erau atat de apropiate incat ar fi putut sa treaca cu usurinta prin sistemul solar. O intalnire stelara de acest fel afecteaza orbitele circulare si plane ale planetelor, cometelor si asteroizilor, transformandu-le in orbite de elipsa mare si inclinate. Multe din cometele mai indepartate de 50 de unitati astronomice, de dupa orbita lui Pluto, au orbite foarte oblice, piezise. Dinamica interna a sistemului solar pare sa fie incapabila sa influenteze asemenea orbite ciudate; aceste corpuri ceresti sunt imune pana si la influenta gravitationala a lui Jupiter. Cea mai probabila explicatie este ca au fost deranjate de o stea ce a trecut la o distanta de 1000 UA departare. PLanetele, in schimb, au orbite foarte regulate, acest lucru indicand faptul ca niciodata o stea nu a trecut la mai putin de 100 UA de soare.

Pornind de la aceste premise, se poate estima marimea norului. Pentru ca o stea din nor sa treaca la 1000 UA departare cu o probabilitate rezonabila, norul trebuie sa fi avut mai putin de 10 ani-lumina in diametru. Dar pentru ca nici o stea sa nu treaca la 100 UA de soare, norul trebuie sa fi fost mai mare de 3 ani-lumina in diametru. Pe scurt, norul in care s-a nascut soarele nostru arata ca si R136, dar era mult mai putin dens decat acesta, stelele fiind indeajuns de departate pentru a nu influenta formarea planetelor.

Genealogia Soarelui

Teoreticienii pot merge mai departe si sa se intrebe unde anume in galaxie era localizat acest nor. Sistemul nostru solar orbiteaza in jurul centrului galaxiei intr-un cerc aproape perfect, mai mult sau mai putin in discul acesteia. In acest moment ne aflam la 30000 de ani-lumina de centrul galaxiei si la 15 ani-lumina de planul discului, orbitand cu o viteza de 234 km/secunda. In acest ritm, soarele a efectuat 27 de rotatii complete de la formarea sa. Orbita sa nu face un cerc complet, ci este de o forma mai complicata, determinata de campul gravitational al galaxiei, dedusa de astronomi din miscarea stelelor si a norilor de gaz interstelar.

Presupunand, pe moment, ca campul gravitational a ramas neschimbat in cei 4,6 miliarde de ani, se poate calcula orbita soarelui inapoi in timp, si deducem ca soarele s-a nascut la 33000 ani-lumina de centru si la 200 de ani-lumina de planul galaxiei. Ceea ce face ca aceasta pozitionare sa ridice semne de intrebare este faptul ca extremitatile indepartate ale galaxiei sunt mai sarace in elemente grele decat partile aflate in interior. Regiunile cele mai indepartate nu contin destul material pentru a permite formarea planetelor. Chiar daca locul in care presupunem ca s-a nascut soarele nu este chiar atat de sarac, este totusi mai sarac in elemente grele decat este soarele nostru. Bazandu-se doar pe compozitia de elemente grele a soarelui, astronomii s-ar fi asteptat ca acesta sa se fi format cu 9000 de ani-lumina mai aproape de centru.

Poate ca aceeasi supernova care a impregnat meteoritii cu Fier60 a imbogatit si soarele cu elemente grele. Sau poate calculele ce indica locul nasterii soarelui nu sunt corecte datorita schimbarilor ce au intervenit in campul gravitational al galaxiei sau pentru ca orbita soarelui a fost deviata de influenta stelelor si a norilor de gaz interstelar din apropiere. In acest caz, soarele s-a nascut mai aproape de centrul galaxiei si compozitia sa nu reprezinta o anomalie.

Fostii membri ai familiei soarelui ar trebui, si ei, sa orbiteze in jurul centrului galaxiei cu peste 200 km/secunda. Totusi, viteza lor relativa, determinata de fortele gravitationale dintre stelele norului initial, este de numai cativa kilometri pe secunda. La fel ca grupurile de masini pe o autostrada, ele au tendinta sa ramana impreuna, chiar daca, gravitational, nu mai sunt legate unele de altele. Roiul initial s-a imprastiat, intr-un arc, doar treptat. Dupa 27 de rotatii, ar trebui sa se intinda pe jumatate din galaxie.

Calculele sugereaza ca aproximativ 50 de surori ale soarelui ar trebui inca sa fie in limita a 300 de ani-lumina departare de pozitia noastra actuala si aproximativ 400 de stele in limita a 3000 de ani-lumina. In functie de vitezele relative ale stelelor si de momentul desprinderii lor de nor, soarele fie le calca pe urme, fie ele il urmeaza.

Cel mai bun loc pentru a le cauta este in planul galaxiei, in directia in care se deplaseaza sistemul solar sau in directie opusa. Ele pot fi cautate in catalogul de stele obtinut cu ajutorul satelitului Hipparcos al ESA, dar acesta, cel mai probabil nu a fost destul da precis pentru a putea face o identificare exacta. Pentru aceasta vor fi necesare rezulatele obtinute de satelitul GAIA. Acesta are o pereche de telescoape ce vor masura cu precizie pozitia tridimensionala si vitezele relative ale aproximativ un bilion de stele in decursul a 5 ani, facand, in esenta, un recensamant complet al stelelor aflate la cateva mii de ani-lumina de soare. Compozitia lor ar trebui sa fie asemanatoare cu cea a soarelui, pentru ca aceesi supernova ce a "poluat" tanarul nostru sistem solar ar fi facut acelasi lucru cu celelalte stele din nor.

Identificarea unei singure stele-sora a soarelui ar oferi informatii importante despre zilele de inceput ale sistemului solar, o perioada alfel pierduta in negura istoriei. Teoreticienii vor putea calcula locul nasterii soarelui cu o precizie mult mai mare si sa afle, de exemplu, daca campul gravitational al galaxiei s-a modificat in timp. Nu in ultimul rand, surorile soarelui vor fi locuri excelente in care ar trebui sa cautam planete locuibile. Chiar daca parem a fi foarte singuri in galaxie, nu intotdeauna a fost asa. Multe din aparentele idiosincrazii ale Soarelui - nu in ultimul rand, faptul ca intretine viata - ar putea fi mai usor intelese punand-ul contextul familiei sale stelare.