Наша блестящая Земля, наполненная жидкой водой и кишащая жизнью, началась, как и все каменистые планеты: из пыли. Каким-то образом простая пыль может стать планетой, несущей жизнь, при наличии достаточного количества времени и подходящих обстоятельств. Но остаются без ответа вопросы о том, как пыль образует любую каменистую планету, не говоря уже о той, на которой поддерживается жизнь.
Планеты формируются внутри протопланетных дисков — массивных вращающихся скоплений газа и пыли, кружащихся вокруг молодых звезд. Скалистые планеты образуются, когда пыль скапливается вместе, что, в свою очередь, образует все более и более крупные тела. В конце концов, существуют планетезимали, настоящие строительные блоки планет.
Как именно пыль скапливается в этих дисках?
Есть два процесса, которые позволяют частицам пыли образовывать все более и более крупные структуры. Один из них — коагуляция, при которой пылинки сталкиваются в диске друг с другом и слипаются.
Другой процесс называется потоковой нестабильностью. В этом процессе пылинки, движущиеся по протопланетному диску, испытывают сопротивление. Это концентрирует их в рыхлые комки, которые в конечном итоге саморазрушаются. «Если эти скопления достаточно массивны, планетезимали могут образоваться в результате самогравитационного коллапса скопления», — объясняет Рёсуке Томинага из Лаборатории формирования звезд и планет RIKEN.
Томинага является соавтором нового исследования, опубликованного в «Астрофизическом журнале» под названием «Быстрый рост пыли во время гидродинамического слипания из-за нестабильности потоков». Соавтором Томинаги является Хидекадзу Танака из Высшей школы наук Астрономического института Университета Тохоку в Сендае, Япония.
«Есть два многообещающих процесса формирования планетезималей: прямой столкновительный рост пылинок и гравитационный коллапс слоя пыли», — пишут авторы в своей статье. «Наши результаты подчеркивают важность численного моделирования, которое учитывает как коагуляцию, так и нестабильность потока».
Томинага и Танака исследовали процесс формирования планетезималей, создав модели, имитирующие пылинки в протопланетных дисках. В моделях учитывались такие факторы, как липкость частиц пыли, размер зерен и их скорость. Скорость имеет решающее значение, поскольку некоторые предыдущие исследования показали, что если пыль движется слишком быстро, зерна не слипаются.
«Некоторые исследования показали, что пылинки не такие липкие и что их рост может быть ограничен фрагментацией в регионах формирования планет из-за высоких скоростей столкновений», — сказал Томинага. «Считается, что это один из барьеров, препятствующих росту пыли в направлении планетезималей».
В моделях сравнивались временные масштабы роста пылевых комков за счет обоих процессов: коагуляции и нестабильности потоков. Результаты показали, что оба они происходят с одинаковой скоростью. Фактически, пара находится в петле обратной связи. Коагуляция ускоряет нестабильность потока и наоборот. «Рост пыли повышает эффективность комкования, а более сильное комкование способствует росту пыли», — говорит Томинага. «Было предсказано, что эта обратная связь будет способствовать образованию планетезималей». Даже умеренное увеличение плотности пыли из-за нестабильности течения способствует коагуляции пыли.
«Если сформируется и осядет достаточное количество крупных пылинок, произойдет образование планетезималей из-за гравитационной нестабильности», — пишут Томинага и Танака в своей статье.
Это исследование показывает, как оба процесса работают вместе, образуя планетезимали и, в конечном итоге, планеты. Но еще предстоит раскрыть много деталей, прежде чем появится более полная картина.
Дрейф пыли — один из факторов, действующих на протопланетный диск. Часть пыли движется к центральной звезде и уничтожается, прежде чем она успевает вырасти. Но слипание также приводит к уменьшению сноса.
Еще одним фактором является скорость, с которой движется основная часть пыли. В сочетании с местной турбулентностью скорость пыли влияет на то, насколько легко зерна могут слипаться друг с другом и как быстро могут образовываться комки.
Модели, подобные представленным в этом исследовании, являются полезными инструментами для понимания того, что происходит в диске, формирующем планеты. Более качественные наблюдения за планетами, формирующимися внутри этих дисков, являются важным доказательством, необходимым для уточнения нашего понимания, но этого трудно достичь.
Мы знаем, что в этих дисках формируются планеты, но процесс формирования скрыт газом и пылью, а также тем, насколько далеко находятся молодые звезды с протопланетными дисками. Но постоянно создаются более мощные телескопы и разрабатываются более совершенные методы исследования этих дисков.
Однажды астрономы получат еще более четкое представление о том, как формируются твердые планеты, в том числе и наша.
