Наиболее распространенным объяснением образования планет является теория аккреции. В нем говорится, что мелкие частицы в протопланетном диске накапливаются под действием гравитации и со временем образуют все более крупные тела, называемые планетезималями. В конце концов, многие планетезимали сталкиваются и объединяются, образуя еще более крупные тела. В газовых гигантах они становятся ядрами, которые затем в течение миллионов лет притягивают огромные количества газа.
Однако теория аккреции вряд ли может объяснить, что газовые гиганты формируются далеко от своих звезд или что существуют ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун.
Теория аккреции восходит к 1944 году, когда русский ученый Отто Шмидт предположил, что каменистые планеты, подобные Земле, образовались из «метеоритного материала». Дальнейший прогресс произошел в 1960 году, когда английский астроном Уильям МакКри предложил «теорию протопланет», согласно которой планеты формируются в солнечной туманности. За прошедшие десятилетия теория аккреции была уточнена и расширена, и в наше время астрономы собрали больше наблюдательных данных в ее поддержку.
Однако в теории есть некоторые пробелы, которые еще предстоит заполнить.
Согласно теории, требуется несколько миллионов лет, чтобы сформировать ядро, достаточно большое, чтобы стать газовым гигантом, а протопланетные диски распадаются слишком быстро, чтобы это произошло. Протопланеты также имеют тенденцию мигрировать к своей звезде по мере роста, и они могут не накопить достаточно массы, прежде чем звезда их поглотит.
Теория аккреции сталкивается с еще одной проблемой, которая стала очевидной после открытия дополнительных экзопланет в других солнечных системах: трудно объяснить горячие Юпитеры и суперземли.
С годами, развитиеТеория неустойчивости потока и кремнистой аккреции решила некоторые из этих проблем. Нестабильность потока объясняет, как частицы в газовом диске испытывают сопротивление воздуха и собираются в комки, которые затем сжимаются под действием силы тяжести. Аккреция гальки объясняет, как частицы диаметром от нескольких сантиметров до метров испытывают сопротивление воздуха и образуют планетезимали. Обе теории усилили теорию аккреции, но астрономы все еще жаждут полной теории формирования планет.
Исследователи разработали новую модель, которая учитывает все физические процессы, участвующие в формировании планет. Их статья, опубликованная в журнале «Астрономия и астрофизика», называется «Последовательное формирование планет-гигантов, инициированное субструктурой диска». Основной автор — Томми Чи Хо Лау, аспирант Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене.
Новая модель показывает, что субструктуры в протопланетном диске, называемые кольцевыми возмущениями, могут спровоцировать быстрое последовательное образование нескольких газовых гигантов. Важно отметить, что эта модель согласуется с некоторыми из самых последних наблюдений.
Планеты формируются в нестабильных газовых дисках вокруг звезд. Исследователи показывают, как мелкие частицы пыли размером в миллиметр накапливаются в диске и попадают в ловушку кольцеобразных возмущений. Авторы называют эти явления миграционными ловушками. Поскольку они захвачены, частицы не могут быть притянуты к звезде под действием силы тяжести. В этих компактных областях диска скапливается много планетообразующего материала, создавая условия для быстрого формирования планет.
«Мы наблюдаем быстрое формирование нескольких газовых гигантов из исходной субструктуры диска», — пишут исследователи в своей статье. «Миграционная ловушка вблизи субструктуры позволяет образовывать холодные газовые гиганты».
Этот процесс создает новый максимум давления на внешнем крае планетарной щели, запуская формирование планет следующего поколения. В результате образуется компактная цепочка планет-гигантов, подобных тем, которые мы видим в нашей Солнечной системе. Этот процесс эффективен, потому что первые образовавшиеся газовые гиганты не позволяют пыли, необходимой для формирования следующей планеты, дрейфовать внутрь к звезде.
«Если планета становится достаточно большой, чтобы влиять на газовый диск, это приводит к возобновлению накопления пыли дальше в диске», — объясняет Тиль Бирнстил, соавтор и профессор теоретической астрофизики в LMU и член кластера передового опыта ORIGINS. «Планета гонит пыль – как овчарка гонит свое стадо – в область за пределами своей орбиты».
Затем процесс повторяется. «Это первый случай, когда моделирование отслеживает процесс формирования планет-гигантов из мелкой пыли», — сказал Томми Чи Хо Лау, ведущий автор исследования.
Большая миллиметрово-субмиллиметровая решётка Атакамы (ALMA) специализируется на наблюдении протопланетных дисков. Он может видеть сквозь пыль, которая скрывает формирование планет вокруг молодых звезд. Он обнаружил газовые гиганты в молодых дисках на расстоянии более 200 а.е. В нашей Солнечной системе Юпитер находится на расстоянии около 5 а.е., а Нептун — около 30 а.е. Авторы говорят, что их модель может объяснить все эти различные архитектуры. Это также показывает, что после Нептуна в нашей Солнечной системе не образовались планеты, потому что материал был израсходован.
«Эта работа демонстрирует последовательный сценарий формирования гигантских планет, вызванный начальной субструктурой диска», — пишут авторы в своем заключении. «Результаты показывают, что «… до трех ядер могут образовываться в каждом поколении и превращаться в планеты-гиганты».
То, как формируются подструктуры, выходит за рамки данной работы. Для изучения этого необходимы дальнейшие исследования.
Эта работа может объяснить, как формируются газовые гиганты, но не может объяснить, как работает время в нашей Солнечной системе. Это требует дальнейших исследований того, как работает аккреция газа, которые активно продвигает астрономическое сообщество.
«Чтобы смоделировать время формирования планет-гигантов в нашей Солнечной системе, необходимы дальнейшие исследования именно аккреции газа», — заключают авторы.
