Один из наиболее актуальных вопросов современной астрономии касается формирования планет. Мы можем глубже, чем когда-либо, заглянуть в очень молодые солнечные системы, где планеты формируются в дисках вокруг молодых звезд. Но наш взгляд все еще затуманен газом и пылью в этих молодых системах.
Картина формирования планет стала еще более туманной после открытия того, что некоторые молодые планеты имеют форму сплющенных конфет, а не сфер.
Есть две основные теории формирования планет, и обе они начинаются со звезд.
Звезды рождаются в гигантских молекулярных облаках водорода. Из-за естественной изменчивости в этих облаках образуются плотные ядра материала. По мере того, как эти ядра собирают все больше и больше материала, они в конечном итоге образуют протозвезду. Протозвезды еще не начали термоядерный синтез и окружены газом и пылью из родительского облака. Этот резервуар газа и пыли называется солнечной туманностью.
Когда протозвезда начинает вращаться, солнечная туманность начинает сплющиваться во вращающийся диск. Он называется протопланетным диском, и именно здесь планеты формируются в соответствии с двумя теоретическими процессами.
Одним из таких процессов является теория основной аккреции. В ходе аккреции ядра в диске образуются планетезимали, и в конечном итоге достаточное их количество объединяется в результате столкновений, образуя каменное ядро. Каменистое ядро продолжает аккумулировать больше материала из диска посредством столкновений. Как только ядро станет достаточно массивным, оно сможет притянуть атмосферу. Аккреция ядра объясняет, как каменистые планеты, такие как Земля, формируются в виде сфер.
Но теория аккреции ядра имеет ограничения. Это не может объяснить, как формируются газовые гиганты, потому что для появления такой планеты, как Юпитер, потребуется целая вечность. Это также не может хорошо объяснить луны.
Вместо этого теория фрагментации диска или теории нестабильности диска объясняет, как газовые гиганты могут формироваться на более широких орбитах, чем планеты земной группы. Из-за нестабильности протопланетного диска в диске быстро образуются массивные комки размером с планету, и их гравитация притягивает к ним больше материала. Со временем формируются такие планеты, как Юпитер и Сатурн.
«Эта теория привлекательна тем, что большие планеты могут формироваться очень быстро на больших расстояниях от своей звезды, что объясняет некоторые наблюдения за экзопланетами», — сказал Фентон.
«Мы были очень удивлены, когда они оказались сплюснутыми сфероидами, очень похожими на умников».
Соавтор исследования Димитрис Стамателлос, Университет Центрального Ланкашира
Новое исследовательское письмо, которое будет опубликовано в журнале «Астрономия и астрофизика», представляет доказательства того, что молодые планеты, образующиеся в результате нестабильности диска, не имеют сферической формы. Вместо этого они представляют собой сплюснутые сфероиды, по форме напоминающие сплющенные «Смарти».ТМ. Исследовательское письмо называется «Трехмерная структура протопланет с нестабильностью дисков», а авторами являются Адам Фентон и Димитрис Стамателлос. Фентон и Стамателлос оба из Института математики, физики и астрономии Джереми Хоррокса при Университете Центрального Ланкашира.
«За последние три десятилетия было обнаружено множество экзопланет, которые представляют собой планеты, вращающиеся вокруг звезд в других солнечных системах за пределами нашей собственной», — сказал Фентон в пресс-релизе, сопровождающем исследование. «Несмотря на то, что мы наблюдаем многие тысячи из них, то, как они формируются, остается необъяснимым».
Объяснить, как формируются планеты, наблюдая за ними, чрезвычайно сложно. Молодые планеты окутаны газом и пылью в диске. В этом исследовании пара использовала суперкомпьютер для выполнения расширенного моделирования планет с широкой орбитой, формирующихся в результате процесса нестабильности диска.
Исследователи сосредоточились на формах, которые принимают молодые планеты, и на том, как они могут вырасти в огромных гигантов, таких как Юпитер. В своих симуляциях они меняли такие параметры, как температура диска и плотность газа.
«Это был чрезвычайно ресурсоемкий вычислительный проект, потребовавший полмиллиона часов процессорного времени на британской высокопроизводительной вычислительной базе DiRAC», — сказал Фентон. «Но результаты были потрясающими и стоили затраченных усилий».
Самый удивительный результат моделирования заключается в том, что планеты, формирующиеся из-за нестабильности диска, принимают форму Смартис, сплюснутых сфероидов.
«Мы изучаем формирование планет в течение долгого времени, но никогда раньше нам не приходило в голову проверять форму планет по мере их формирования в симуляциях», — сказал соавтор Димитрис Стамателлос. «Мы всегда предполагали, что они сферические».
«Мы были очень удивлены, что они оказались сплюснутыми сфероидами, очень похожими на умников».
В целом результаты моделирования показали, что трехмерная структура экзопланет, формирующихся в результате нестабильности, формируется их окружением в диске. Взаимодействия со спиральными рукавами галактики и даже прошлые события слияния могут способствовать формированию формы, особенно внешних областей экзопланет. Но большинство из них, тем не менее, были сплюснутыми сфероидами. «Подавляющее большинство протопланет, которые формируются в симуляциях, имеют сплюснутую сфероидную форму, а не сферическую, и они быстрее аккрецируются от своих полюсов», — объясняют исследователи.
Когда дело доходит до непосредственного наблюдения за формированием экзопланет, нам придется подождать некоторое время. Будущие телескопы, такие как Гигантский Магелланов телескоп и Европейский чрезвычайно большой телескоп (E-ELT), приблизят нас к детальному рассмотрению экзопланет. E-ELT рекламируется как способный видеть отдельные большие экзопланеты. До первого света этих телескопов осталось несколько лет.
Эти симуляции показывают, что угол обзора может иметь решающее значение. Сверху эти планеты кажутся сферами, но сбоку становится ясна их сплюснутая природа. Под неправильной точкой зрения можно неправильно понять процесс формирования планет.
«Ожидается, что трехмерная структура протопланет с нестабильностью диска повлияет на их наблюдаемые свойства и должна быть принята во внимание при интерпретации наблюдений протопланет, встроенных в их родительские диски», — пишут авторы.
