Tilvækstsskiven omkring yngre stjerner, dannes fra interstellart materiale, der kan have en temperatur på kun nogle få kelvin, men skiverne selv kan nå temperaturer på hundredevis kelvin eller mere. Hvad opvarmer skiven omkring en stjerne der dannes? Svaret ligger i tyngdekraften. Materiale fra den kollapsende interstellare sky, falder indad mod protostjernen, men rammer forbi protostjernen på grund af dets impulsmomentum, og lander i stedet på skivens overflade. Når dette materiale, rammer overfladen af skiven, kommer dets faldende bevægelse til et brat stop, og hastigheden som atomerne og molekylerne i gassen havde før de ramte skiven, omdannes pludselig til tilfældige termiske hastigheder i stedet. Den kolde gas der var ved at falde ned på skiven, varmes op når den rammer skiven.
Forestil dig, at man lader en kasse glaskugler, falde fra toppen af en høj stige og ned på en ru, hård overflade neden under stien (se figur 6.10a). Glaskuglerne opsamler hastighed, som de falder. Selvom de fladende kugler øger hastigheden, øger de hastigheden sammen. For så vidt det angår en enkelt glaskugle, bevæger de øvrige glaskugler sig ikke særlig hurtigt, relativt (hvis du sad på en af glaskuglerne, ville de andre kugler ikke se ud som om de bevægede sig ret meget). Atomerne og molekylerne, der falder ned mod en protostjerne, er ligesom disse glaskugler. De øger hastigheden som de falder som en gruppe mod protostjernen, men gassen er stadig kold fordi de tilfældige termiske hastigheder, atomerne og molekylerne i mellem, stadig er lave. Forestil dig nu hvad der sker, når kuglerne rammer den ru overflade. De vil hoppe i alle mulige forskellige retninger. En ændring har fundet sted i forhold til den ordnede bevægelse, af de med hinanden faldende glaskugler, til den tilfældige bevægelse af glaskugler der farer i alle mulige retninger. Atomerne og molekylerne der falder mod den centrale stjerne, opfører sig på samme måde når de rammer tilvækstsskiven (se figur 6.10b). De bevæger sig ikke længere som en gruppe og deres tilfældige termiske hastigheder er nu meget store i forhold til hinanden. Gassen er nu blevet varm.
En anden måde at tænke på, hvorfor den gas der falder på skiven, gør skiven varmere, er at anvende en anden lov om bevarelse. Loven om energiens bevarelse siger, at med mindre der tilføres et system energi udefra eller der tages energi væk fra et system, skal den samlede energi i systemet forblive konstant. Men formen energien tager, kan ændres.
Forestil dig, at du arbejder mod tyngdekraften ved at løfte en tung genstand, for eksempel en mursten. Det kræver energi at løfte murstenen, og loven om energibevarelse siger, at energi aldrig går tabt. Men hvor forsvinder den energi du bruger så hen? Den har ændret form til det der kaldes gravitationel potentiel energi. Energien oplagres på en måde der ligner den måde, som energien lagres i et batteri. Potentiel energi, er energi der har potentiale – den venter på at dukke op i en mere åbenlys form. Hvis du taber murstenen falder den, og som den falder øger den hastigheden. Den gravitationelle potentielle energi som blev oplagret i murstenen, omdannet til bevægelsesenergi, også kaldet kinetisk energi. Når murstenen rammer gulvet, bremses den pludseligt op. Murstenen mister sin energi, så hvilken form tager energien så nu?
Hvis murstenen revner, går en del af energien til at bryde de kemiske bindinger, der holder murstenen sammen. Noget af energien omdannes til lyden murstenen laver når den rammer gulvet. Men det meste af energien omdannes til termisk energi. De atomer og molekyler som murstenen består af, begynder at bevæge sig en lille smule hurtigere, end de gjorde før murstenen ramte gulvet; så murstenen og dens omgivelser, herunder gulvet, bliver en lille smule varmere. På samme måde er det, når en sky af gas falder mod tilvækstsskiven omkring en protostjerne. Her omdannes gravitationel potentiel energi først til kinetisk energi, hvilket får gassen til at øge hastigheden. Når gassen rammer skiven og pludseligt bremses, omdannes den kinetiske energi til termisk energi.
I Grundlæggende viden 6.1 ser vi på, hvorfor det kan være nyttigt at tænke på den samme ting – i dette tilfælde, energi – på forskellige måder.
På den måde, der er beskrevet i det forrige afsnit, som materiale falder ned på en tilvækstsskive omkring en stjerne under dannelse bevirker, at skiven opvarmes. Graden af opvarmning afhænger af, hvor materialet rammer skiven. Materiale der rammer den inderste del af skiven (den ”indre skive”) er fladet længere og har opsamlet større hastighed inden for den dannende stjerne, end materialet der rammer skiven længere ude. Som med en sten der kastes ud fra et højhus, vil materiale der rammer den indre skive, have en højere hastighed når den ramme skiven, så det opvarmer den indre skive til høje temperaturer. Materiale der rammer den yderste del af skiven (den ”ydre skive”), bevæger sig derimod meget langsommere (som en sten der kastes fra kun en meter). Temperaturen på de yderste dele af skiven, er ikke meget højere en temperaturen på den oprindelige interstellare sky. Sagt på en anden måde, materiale der falder på den indre skive, konverterer mere gravitationel potentiel energi til termisk energi, end materiale der falder på den ydre skive.
Den energi som frigøres når materiale falder ned på skiven, er ikke den eneste kilde til termisk energi i skiven. Selv før de nukleare reaktioner, der en dag vil antænde den nye stjerne, driver konvertering af gravitationel potentiel energi til termisk energi, temperaturen på overfladen af protostjernen op på flere tusinde kelvin, og den øger også lysstyrken af den enorme kugle af glødende gas, til mange gange den nuværende lysstyrke af Solen. Af samme årsager der gør at Merkur er varm og Pluto er kold, øger udstrålingen fra protostjernen i midten af skiven, temperaturen i de indre dele af skyen, og forøger dermed temperaturforskellen mellem den indre og ydre del af skiven.
Sten, metal og is
Temperaturen, påvirker hvilke materialer der kan og ikke kan eksistere i en fast form. På en varm sommerdag, smelter isen og vandet fordamper hurtigere; på en kold vinteraften, vil selv vandet i din ånde hurtigt fryse. Nogle materialer, som for eksempel jern, silikater (materialer der indeholder silicium og oxygen), carbon – metaller og sten – forblive faste, selv ved ganske høje temperaturer. Materialer som disse, der er i stand til at modstå høje temperaturer uden at smelte eller fordampe, kaldes ildfaste materialer. Andre materiale, som for eksempel vand, ammoniak og metan, kan kun forblive på fast form, hvis temperaturen er ganske lav. Disse mindre ildfaste stoffer, kaldes flygtige materialer. Astronomer henviser generelt til den faste form for ethvert flygtigt materiale, som is.
Temperaturforskelle fra sted til sted i den protoplanetariske skive, har en signifikant betydning for sammensætningen af støvkornene i skiven (se figur 6.11). I de varmeste dele af skiven (tættest på protostjernen), kan kun de mest ildfaste materialer findes på fast form. I den indre skive er støvkornene kun sammensat af ildfaste materialer. Noget længer ude i skiven, kan nogle flygtige stoffer, som for eksempel vandis og visse organiske stoffer (organiske, henviser til en stor klasse af kemiske forbindelser, der indeholder grundstoffet carbon), overlevet i fast form. Disse stoffer, føjes til de stoffer som støvkornene er opbygget af. I de koldeste og yderste dele af tilvækstsskiven, længst væk fra den centrale protostjerne, kan de mest flygtige materialer, som for eksempel metan, ammoniak og carbonmonooxid-is, samt andre organiske forbindelser, kun findes på fast form. Den forskellige sammensætning af støvkornene i skiven, bestemmer sammensætning af de planetesimaler der dannes fra støvet. Planeter, der dannet tættere på den centrale stjerne, har en tendens til, mest at bestå af ildfaste materialer, som for eksempel sten og metaller. Planeter, der dannes længere væk fra den centrale stjerne, indeholder også ildfaste materialer, men derudover, indeholder de også store mængder is og organiske materialer.
I Solsystemet, er de indre planeter sammensat af klippeholdige materialer, der omgiver en metallist kerne af jern og nikkel. Objekterne i det ydre Solsystem, herunder måner, kæmpeplaneterne og kometer, består hovedsageligt af is af forskellige typer. I andre planetsystemer, og muligvis også i Solsystemet, kan kaotiske møder ændre denne organisation af planetsystemernes sammensætning. I en proces kaldet planetmigration, kan gravitationel spredning, tvinge nogle planeter til at ende langt fra det sted, hvor de blev dannet. For eksempel, mener mange planetforskere, at Uranus og Neptun oprindeligt blev dannet ved banerne for Jupiter og Saturn, men derefter blev drevet udad til deres nuværende positioner, ved gravitationelle møder med Jupiter og Saturn. En planet kan også migrere, når den mister noget af sit orbitale impulsmoment til skivematerialet der omgiver dem. Et sådant tab af impulsmoment forårsager, at planeten langsomt bevæger sig indad i en spiral, mod den centrale stjerne. Du vil se nogle eksempler på dette, når vi kigger på varme Jupitere senere.
Faste planeter indsamler atmosfærer
Når en fast planet er dannet, kan den fortsætte med at vokse, ved at opfange gas fra den protoplanetariske skive. For at gøre dette, skal den dog handle hurtigt. Unge stjerner og protostjerner, er kendt for at være kilder til stærke stjernevinde og intens stråling, som hurtigt kan sprede de gasformige rester af tilvækstsskiven. Gasformige planeter som for eksempel Jupiter, har sandsynligvis kun omkring 10 millioner år til at blive dannet og indfange den gas de kan få fat i. En enorm masse, er en stor fordel for en planets evne, til at akkumulere og holde fast i de hydrogen og heliumgasser, som udgør størstedelen af skiven. På grund af deres stærke tyngdefelter, menes mere massive, unge planeter, at skabes deres egen mini-tilvækstsskive, som gas fra deres omgivelser, falder ind i mod dem. Hvad der herefter følger, ligner meget dannelsen af en stjerne og protoplanetarisk skive, men i meget mindre skala. Ligesom det sker i en tilvækstsskive omkring en protostjerne, vil gas fra mini-tilvækstsskiven, bevæge sig indad og falde ned på den faste planet.
Den gas, som opfanges af en planet på tidspunktet for dens dannelse, kaldes planetens primære atmosfære. Den primære atmosfære for en stor planet, kan blive stor nok til, at den dominerer planetens masse, som det er tilfældet med gigantiske planeter som Jupiter. Noget af det faste materiale i mini-tilvækstsskiven, kan blive ladt tilbage og smelter sammen, på samme måde som støvpartiklerne i en protoplanetarisk skive gør det, for at danne planeter. Resultatet er et mini ”solsystem” – en gruppe af måner, der kredser om planeten.
En planet med mindre masse, kan også godt fange noget gas fra den protoplanetariske skive, men blot for at miste det igen senere. Også her, har mere massive planeter en fordel. Tyngdekraften for små planeter, er måske ikke stærk nok til at forhindre mindre massive atomer og molekyler, som for eksempel hydrogen og helium, i at undslippe tilbage i rummet. Selv hvis en mindre planet, er i stand til at opsamle noget hydrogen og brint fra sine omgivelser, er tilstedeværelsen af denne primære atmosfære, kortvarig. Den atmosfære, der forbliver omkring en lille planet som for eksempel Jorden, er en sekundær atmosfære. En sekundær atmosfære, dannes senere i en planets liv. Carbondioxid og andre gasser, som frigives til atmosfæren fra planetens indre, af for eksempel vulkaner, kan være en vigtig kilde til en planets sekundære atmosfære. Hertil kommer kometer rige på flygtige materialer, der blev dannet i de ydre dele af skiven, og som fortsætter med at falde indad mod den nye stjerne, længe efter planeterne er blevet dannet. Her kollidere de nogle gange med planeterne, og disse kometer tilvejebringer en betydelig kilde til vand, organiske forbindelser, og andre flygtige materialer, for planeterne tæt på den centrale stjerne.