Художественное представление молодой звезды, окруженной протопланетным диском из газа и пыли. Кольцеобразные турбулентные возмущения (субструктуры) в диске приводят к быстрому образованию нескольких газовых и ледяных гигантов. Кредит: LMU / Thomas Zankl, crushed eyes media
Наша солнечная система — это наше непосредственное космическое соседство. Мы хорошо это знаем: Солнце в центре; затем каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс; затем пояс астероидов; за ними газовые гиганты Юпитер и Сатурн; затем ледяные гиганты Уран и Нептун; и, наконец, пояс Койпера с его кометами.
Но насколько хорошо мы на самом деле знаем свой дом? Предыдущие теории предполагали, что гигантские планеты образуются в результате столкновений и скоплений астероидоподобных небесных тел, так называемых планетезималей, и последующей аккреции газа в течение миллионов лет. Однако эти модели не объясняют ни существование газовых гигантов, расположенных далеко от своих звезд, ни образование Урана и Нептуна.
От пылинки до гигантской планеты
Астрофизики из LMU, кластера ORIGINS и MPS разработали первую в истории модель, включающую все необходимые физические процессы, которые играют роль в формировании планет. Используя эту модель, они показали, что кольцевые возмущения в протопланетных дисках, так называемые субструктуры, могут вызывать быстрое формирование множественных газовых гигантов.
Результаты исследования соответствуют последним наблюдениям и указывают на то, что формирование гигантских планет может происходить более эффективно и быстро, чем считалось ранее. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
С помощью своей модели исследователи демонстрируют, как частицы пыли размером в миллиметр аэродинамически накапливаются в турбулентном газовом диске, и как это начальное возмущение в диске захватывает пыль и не дает ей исчезнуть в направлении звезды. Это накопление делает рост планет очень эффективным, поскольку внезапно в компактной области становится доступно много «строительного материала» и присутствуют подходящие условия для формирования планет.
«Когда планета становится достаточно большой, чтобы влиять на газовый диск, это приводит к новому обогащению пыли дальше в диске», — объясняет Тиль Бирнштиль, профессор теоретической астрофизики в LMU и член кластера передового опыта ORIGINS. «В процессе планета гонит пыль — как овчарка, преследующая свое стадо, — в область за пределами своей собственной орбиты».
Процесс начинается заново, изнутри наружу, и может образоваться еще одна гигантская планета. «Это первый раз, когда моделирование проследило процесс, в ходе которого мелкая пыль превращается в гигантские планеты», — отмечает Томми Чи Хо Лау, ведущий автор исследования и докторант в LMU.
Разнообразие газовых гигантов в нашей и других солнечных системах
В нашей солнечной системе газовые гиганты расположены на расстоянии от 5 астрономических единиц (а.е.) (Юпитер) до 30 а.е. (Нептун) от Солнца. Для сравнения, Земля находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Солнца, что эквивалентно 1 а.е.
Исследование показывает, что в других планетных системах возмущение может запустить процесс на гораздо больших расстояниях и все равно происходить очень быстро. Такие системы часто наблюдались в последние годы радиообсерваторией ALMA, которая обнаружила газовых гигантов в молодых дисках на расстоянии более 200 а.е. Однако модель также объясняет, почему наша солнечная система, по-видимому, прекратила формировать дополнительные планеты после Нептуна: строительный материал был просто израсходован.
Результаты исследования совпадают с текущими наблюдениями молодых планетных систем, имеющих выраженные субструктуры в своих дисках. Эти субструктуры играют решающую роль в формировании планет. Исследование показывает, что формирование гигантских планет и газовых гигантов происходит с большей эффективностью и скоростью, чем предполагалось ранее.
Эти новые данные могут углубить наше понимание происхождения и развития гигантских планет в нашей Солнечной системе и объяснить разнообразие наблюдаемых планетных систем.
Информация от: Exzellenzcluster Origins
