Universets store mysterier dreier seg ofte rundt fjerne, usynlige fenomener. Forskere pusler over uforklarlige utbrudd av radiobølger, tyngdekraftenes unnvikende natur og om mørk energi gjennomsyrer kosmos. Men andre gåter finner vi i vårt eget hjørne av galaksen, og stirrer oss rett i ansiktet - som hvordan Jorden ble planeten den er i dag.
Dette spørsmålet fortsetter å fascinere forskere som jobber med å forstå hvordan Jorden dannet seg og hvorfor den er så godt egnet til å være vertskap for livet. Det kunne ha vist seg annerledes - bare se på vår nærmeste nabo og nesten tvilling, Venus, som ikke har flytende vann og hvis overflate er en svulmende 870 grader Fahrenheit. "Venus og Jorden er slags den ultimate kontrollsaken, " sier Sue Smrekar fra NASAs Jet Propulsion Laboratory. "Vi forstår ikke helt hvordan Jorden endte så beboelig og Venus så ubeboelig."
Det er litt overraskende, gitt at Jorden er den desidert best studerte planeten i universet. Men geologiske prosesser som platetektonikk resirkulerer stadig bevis for fortiden, og mye av den kritiske informasjonen om jordens sminke ligger skjult i de store, utilgjengelige dybder. "Du prøver å forstå en planet som du bare kan prøve på overflaten, " sier James Badro, geofysiker ved Institute of Earth Physics i Paris. Selv om forskere har samlet et vell av kunnskap fra å studere bakken under føttene, forblir hele historien om jordas konstruksjon og utvikling ukjent.
Så forskere har vendt seg til himmelen for å få hjelp. De har studert andre stjernesystemer på jakt etter ledetråder, og søkt etter byggesteinene på Jorden blant solsystemets detritus. Nå kan en pakke med planlagte og foreslåtte romoppdrag hjelpe forskere å fylle ut flere av de manglende delene.
Fra å studere nye aspekter ved protoplanetære organer til å slå ut hvor de kom fra og hvordan de ble blandet sammen, håper forskere å feste prosessene for planetdannelse som skapte Jorden. For mange er det like mye en filosofisk søken som en vitenskapelig. "Det er et spørsmål om vår opprinnelse, " sier Badro.
En kunstners inntrykk av et foreslått oppdrag til Psyche, en asteroide som antas å være helt metall. (NASA / JPL-Caltech) De fleste forskere er nå enige om den generelle historien til solsystemet vårt. Det begynte for 4, 6 milliarder år siden, da en enorm sky av gass og støv som flyter i rommet kollapset på seg selv, kanskje utløst av sjokkbølgen til en nærliggende supernova. Den flatete skyen virvlet seg deretter inn i en spinnende skive som - omtrent 100 millioner år senere - solsystemet vårt oppsto i mer eller mindre sin nåværende tilstand: solen omgitt av åtte planeter og utallige mindre kropper spredt utover.
De finere detaljene om hvordan vårt kosmiske nabolag dannet seg, forblir imidlertid omstridte. For eksempel debatterer forskere fremdeles hva planetene er laget av. "Vi vet hvordan kaken ser ut, " sier Lindy Elkins-Tanton fra Arizona State University, "men vi vil gjerne vite hvordan alle de enkelte ingrediensene ser ut også, " sier hun.
Forskere tror at de jordiske planetene vokste ved å slynge opp mindre planetesimaler - gjenstander opp til titalls mil i diameter som samlet seg fra protoplanetært støv. Men sammensetningen og strukturen til disse planetesimene har vært vanskelig å bestemme. Å studere vår samling av meteoritter - fragmenter av asteroider som har falt på jorden - er et bra sted å starte, sier Francis Nimmo, en planetforsker ved University of California, Santa Cruz. Men det er ikke nok.
Det er fordi vi ikke nødvendigvis har prøver av alt som gikk inn i planetene - noen komponenter kan være mangler eller kanskje ikke lenger eksisterer i det hele tatt. Noen meteoritter ser ut til å være en anstendig match for Jorden, men forskere kan ikke komme med noen kombinasjon av meteorittyper som fullt ut forklarer Jordens kjemiske sammensetning. "Dette er litt ubehagelig fordi det betyr at vi ikke vet hvordan jorden ble satt sammen, " sier Nimmo.
Elkins-Tanton håper at et foreslått fremtidig oppdrag - en av fem finalister for NASAs Discovery-program - kan være i stand til å hjelpe. Prosjektet, ledet av Elkins-Tanton, ville sende et ubemannet romfartøy for å besøke et objekt som heter Psyche, som sitter i asteroidebeltet mellom Mars og Jupiter. Psyche er omtrent 150 mil bred og, basert på eksterne observasjoner av dens tetthet og overflatesammensetning, ser det ut til å være laget av fast metall. Det kan også ligne på byggesteinene på Jorden.
"Dette kan være den lille kjernen i et legeme som ble dannet i den jordiske planetdannende regionen og nettopp ble rammet av mange andre ting og fikk dets steinete ytre fjernet, " sier Elkins-Tanton. På NASAs Dawn-oppdrag studerte forskere asteroiden Vesta, en protoplanett som sannsynligvis også dannet seg i nærheten av Jorden og deretter ble sparket ut i asteroidebeltet. Imidlertid er det den unike muligheten til å se hva som ligger under overflaten til gjenstander som Vesta som har Elkins-Tanton begeistret.
"Psyche er det eneste kroppen i solsystemet som lar oss se direkte på en metallkjerne, " sier hun. "Dette kan være vår eneste sjanse til å se på denne typen ingredienser." Sammen med de andre Discovery-finalistene, vil Elkins-Tanton og hennes kolleger finne ut i september om oppdraget er en gang.
I henhold til den klassiske modellen for planetdannelse, når planetesimals nådde Psyches størrelse - titalls til hundrevis av miles over - begynte de å kannibalisere naboene sine, sier Kevin Walsh, en planetforsker ved Southwest Research Institute i Boulder, Colorado. "De største vokser veldig raskt, " sier han takket være deres økende gravitasjonspåvirkning.
Denne prosessen med bortkjørt akkresjon ville ha vunnet antallet kropper i solsystemet til kanskje hundre måne- til Mars-store planetembryoer og en smadring av mindre rusk. Over tid kombineres disse embryoene sakte for å danne planeter.
Men selv om denne forklaringen fungerer bra for de jordiske planetene, noe geologiske bevis tyder på dannet i løpet av 30 til 100 millioner år, gir det et problem for gassgigantene som Jupiter. Forskere tror kjernene til disse kroppene måtte vokse mye raskere - raskt nok til å fange opp de massive atmosfærene fra gassen som var til stede i det tidlige solsystemet, som forsvant på bare noen få millioner år.
I løpet av det siste tiåret har forskere utviklet en alternativ mekanisme for dyrking av planeter kjent som rullesteinakresjon. Det representerer en sterk avvik fra den konvensjonelle modellen for akkresjon, der gjenstander kombineres for å danne gradvis større partikler. Eller, som Hal Levison, Walshs kollega, uttrykker det: “Pebbles lager steinblokker, og steinblokker lager fjell - helt opp.” Pebble accretion, derimot, spår at gjenstander vokser fra knyttnevestørrelser til Pluto-store kropper. nesten umiddelbart, og fortsetter deretter å få masse, sier Levison, som bidro til å utvikle hypotesen.
Prosessen ville begynt kort tid etter dannelsen av den protoplanetære disken, da støvbiter som sirklet rundt den unge solen begynte å kollidere og feste seg sammen, som synkroniserte skøyteløpere som gikk sammen i hendene mens de sirklet en skøytebane. Etter hvert ville aerodynamiske krefter og gravitasjonskrefter ha trukket store klynger av disse rullesteinene sammen og dannet planetesimaler. Planetesimene fortsatte deretter å feie opp de gjenværende rullesteinene rundt seg, og vokste raskt til de dannet planeter.
På toppen av å ta opp spørsmålet om hvordan gassgiganter vokste så raskt, gir modellen også en måte å overvinne noe som kalles meterstørrelsen, som har plaget modeller for planetarisk akkresjon siden den ble skissert første gang på 1970-tallet. Det refererer til det faktum at når gjenstander når omtrent tre meter i diameter, ville friksjon generert av den omliggende gassen ha sendt dem i spiral i solen. Pebble-akkresjon hjelper å sive små partikler over terskelen, og gjør dem store nok til å holde sine egne.
Forskere prøver fortsatt å forstå om denne prosessen skjedde gjennom hele solsystemet, og om den ville spilt ut på samme måte for de indre og ytre planetene. (Mens det fungerer for gassgigantene, stemmer ikke de senere stadiene med rask vekst med det vi vet om landlig planetdannelse). Men forskere kan finne noen ledetråder senere i år, da NASAs Juno-oppdrag, som med hell nådde Jupiter forrige måned, begynner å samle informasjon om planetens sammensetning og kjerne.
Walsh sier å finne ut hvor mye materiale som ligger i sentrum av gassgiganten, vil hjelpe forskere å begrense forskjellige modeller av planetarisk akkresjon. Hvis Jupiter har en liten kjerne, kunne klassisk akkresjon ha vært i stand til å bygge den opp raskt nok; hvis den er stor, kan det innebære at noe som rullesteinakretering fant sted i stedet, sier han.
Jupiter og dets måner Io, Europa og Ganymede som fotografert av Juno-oppdraget kort tid etter at romskipet kom inn i bane rundt bensigiganten. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Å forstå hvordan Jupiter ble dannet, vil også hjelpe forskere å forstå opprinnelsen til de andre planetene, inkludert Jorden. Det er fordi Jupiter er blitt beskyldt for å blande seg med konstruksjonen av de indre steinete planetene, i det minste i henhold til en ny idé utviklet av Walsh og andre som har fått trekkraft de siste årene.
Hypotesen, kjent som Grand Tack-modellen, antyder at når Jupiter var ferdig med å forme, ville den ryddet ut alt materialet i sin bane rundt solen, og effektivt snekret et gap i den protoplanetære disken. Disken inneholdt imidlertid fremdeles mye gass og støv, som presset seg inn mot solen mens disken flatet og strukket seg, sier Walsh.
Jupiters gap spredte effektivt strømmen av dette materialet, og planeten ble "fanget i flomvannene, " sier Walsh. Den vandret inn til Mars 'bane med Saturn tett på hælene. Men da Saturn fulgte, travet den nok materiale til å koble til disken på nytt. Dette frigjorde presset som presset på Jupiter, slik at begge planetene kunne vandre tilbake ut igjen, alt i løpet av noen hundre tusen år. Modellen var inspirert av observasjoner av merkelig bestilte planeter i andre solsystemer som antyder at slike vandringer er vanlige, sier Walsh.
For resten av solsystemet ville dette ha vært noe som et par okser i en kosmisk Kina-butikk. Biter av søppel fra det indre solsystemet ville blitt kastet ut mens rot fra det ytre systemet ville blitt dratt inn, sier Walsh. Modellen er med på å forklare Mars 'rundstørrelsesdimensjoner og antall og mangfoldighet av kropper som finnes i dag i asteroidebeltet.
Det gir også en mulig forklaring på hvordan de jordiske planetene fikk vannet. I følge Grand Tack ville migrasjonen av gassplaneten ha funnet sted mens de landlige planetene fortsatt var i form, og kunne ha kastet vannrikt materiale fra det ytre solsystemet i blandingen. Walsh og mange andre forskere tror at karbonholdige asteroider, som kan ha dannet seg utenfor Jupiter, var de viktigste kjøretøyene for å levere vann til jorden.
I september lanserer NASA et oppdrag for å besøke en slik asteroide som heter Bennu. Walsh er en medetterforsker på prosjektet, kalt OSIRIS-REx, som vil studere kroppen langveisfra før han tar en prøve for å bringe tilbake til jorden. Et lignende oppdrag fra det japanske romfartsorganet, kalt Hayabusa 2, er på sporet for å prøve en annen karbonaktig asteroide i 2018.
Forskere håper å lære mer om hvor disse asteroidene kom fra, og om de virkelig er kilden til en klasse av meteoritter kjent som karbonholdige kondritter. De håper også at å studere en uberørt prøve - snarere enn et meteorittfragment - vil bidra til å avsløre om disse gjenstandene ikke bare leverte vann til Jorden, men de organiske forbindelsene som kan ha fungert som forløpere for livet.
Når OSIRIS-REx vender tilbake til Jorden, kan det krysse stier med Lucy, et annet foreslått oppdrag som i likhet med Psyche er en finalist i Discovery-programmet. Ledet av Levison, tar Lucy sikte på å utforske den siste store rystelsen som berget solsystemet vårt - en planetarisk tango som begynte omtrent 500 millioner år etter Grand Tack. Det var da Pluto, i henhold til en hypotese fra Levison og andre, utløste en ustabilitet som fikk Neptun til å hoppe utenfor Uranus og de ytre gassgigantene vandret bort fra solen til sine nåværende posisjoner.
Denne forstyrrelsen, kjent som Nice-modellen, ville ha sendt et regn av rusk som sivlet inn i det indre solsystemet, og muligens forklart en klynge av støt som ble dannet i løpet av en periode kjent som Late Heavy Bombardment. De jordiske planetene, som Jorden, hadde stort sett dannet seg av dette punktet, så hendelsen påvirket ikke deres sammensetning nevneverdig. Men det kan ha kastet en kurveball på forskere som prøvde å forstå hvordan solsystemet utviklet seg. Forstyrrelsen kan ha kastet gjenstander inn i det indre solsystemet som ikke hadde noen forbindelse til materialene som utgjør hoveddelen av de terrestriske planetene, sier Walsh.
Lucy kunne hjelpe forskere med å finne ut hva som egentlig skjedde, og la dem løsrive det som blandet seg der. Det ville oppnå dette ved å undersøke en gruppe asteroider som var låst i Jupiters bane. Disse gjenstandene, kjent som de joviske trojanerne, er en blanding av kropper som dannet seg gjennom det ytre solsystemet og deretter ble kastet sammen under vandringen.
På midten av 2020-tallet, når oppdraget skulle nå dem, vil trojanerne være orientert i akkurat den rette konfigurasjonen for et romfartøy for å gjøre en storslått omvisning i seks kropper. "Jeg har tilbedt himmelmekanikkens guder i hele min karriere, " sier Levison, en planetarisk dynamiker. "De bestemte seg for å betale meg tilbake, fordi planetene bokstavelig talt stemmer overens."
Levison sier at det å studere trojanerne på nært hold vil gi forskere en klarere idé om hvordan Nice-blandingen skjedde, og også kunne gi en test av rullesteinsakresjon. Hypotesen forutsier at noe mindre enn rundt 60 miles overfor faktisk burde være et fragment av en større kropp. Det er en spådom Lucy skal kunne teste.
Et kunstners inntrykk av overflaten til Venus, der temperaturene er en skånsom 870 grader Fahrenheit. (ESA / AOES Medialab) Sammen virker disse oppdragene klare til å øke forskernes forståelse av jordas opprinnelse, antagelig på måter forskere ikke en gang kan forestille seg. Å bygge et robust bilde av planetdannelse krever tross alt å kombinere data fra mange forskjellige kilder, sier David Stevenson, en planetforsker ved Caltech.
Imidlertid har vi fortsatt en lang vei å gå før vi forstår hva som gjør Jorden og Venus så annerledes. "Det er nesten en forlegenhet at vi her sitter på jorden, og at vi har denne store nærmeste planeten til oss som vi er så uvitende om, " sier Stevenson. "Grunnen til at vi er så uvitende er at det er jævlig varmt!"
De forferdelige forholdene på Venus overflate har faktisk styrket innsatsen for å studere planeten i detalj. Russland klarte å lande en serie romskip på overflaten mellom 1960- og 80-tallet. De overlevde bare noen timer og overførte korte dataoppslag før de ga etter for varmen. Men disse og andre oppdrag, som NASAs Pioneer og Magellan, som studerte planeten på lang avstand, ga glimt inn i planetens virke.
Vi vet for eksempel at Venus har en intens drivhusatmosfære som nesten er laget av karbondioksid, og at den ser ut til å ha mistet det meste av overflatevannet. Dette kan være det som forhindrer platetektonikk fra å oppstå der - vann antas å smøre hjulene på underduksende plater. Det kan også forklare hvorfor Venus mangler et geomagnetisk felt, som mange forskere anser som en livsnødvendighet fordi den beskytter planeten mot solens vinds herjer. Geomagnetiske felt produseres ved konveksjon i kjernen av en kropp, sier Nimmo, og er avhengige av mantelsirkulasjon - ofte bundet til platetektonikk - for å transportere varmen bort.
Det forskere vil mer enn noe annet, er prøver av Venus overflatebergarter, men det er fortsatt et fjernt mål. I overskuelig fremtid vil forskere nøye seg med mer eksterne observasjoner, som de fra et nåværende japansk oppdrag. Tidligere i år begynte Akatsuki-romfartøyet endelig å videresende data fra sin bane rundt Venus etter en uplanlagt fem år lang omkjøring rundt solen.
I tillegg vurderer NASA ytterligere to Venus-sentrerte oppdrag som også er Discovery-finalister. Ett prosjekt, kalt VERITAS, ledes av Smrekar og vil involvere en orbiter som er i stand til å studere planetens geologi i høy definisjon. Det andre foreslåtte oppdraget, ledet av Lori Glaze fra Goddard Space Flight Center, ville analysere Venus 'unike atmosfære ved hjelp av en sonde kalt DAVINCI.
Håpet er at denne innsatsen vil avsløre hvorfor Venus utviklet seg slik den gjorde, og dermed hva som gjør Jorden annerledes. For øyeblikket tror mange forskere Jorden og Venus sannsynligvis er dannet av omtrent det samme materialet som deretter divergerte over tid takket være flere faktorer. Disse inkluderer deres forskjellige nærhet til solen, og det faktum at Jorden opplevde en stor kollisjon relativt sent i sin historie - virkningen som dannet månen - som ville ha smeltet mye av planeten igjen og potensielt endret dens dynamikk.
Men inntil vi vet mer om hvordan planetene i solsystemet vårt dannet seg og hvilke prosesser som formet utviklingen deres, vil vi ikke vite hva som skiller en gjestfri planet fra en karrig plan, sier Walsh. "Vi har teleskoper i verdensrommet som jakter på planeter i jordstørrelse rundt andre stjerner, men vi har ingen anelse om en planet vil utvikle seg til en Venus eller til en jord, " sier han. "Og det er hele ballspillet, på et eller annet nivå."
