Художественная концепция внесолнечной планеты «Горячий Юпитер». Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Новая планета начинает свою жизнь во вращающемся круге газа и пыли, колыбели, известной как протозвездный диск. Мои коллеги и я использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что новорожденные газовые планеты в этих дисках, вероятно, будут иметь удивительно сплющенную форму. Это открытие, опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysical Letters, может дополнить нашу картину того, как именно формируются планеты.
Наблюдение за протопланетами, которые только что сформировались и еще находятся в пределах своих протозвездных дисков, чрезвычайно сложно. До сих пор наблюдались только три таких молодых протопланеты, причем две из них находятся в одной системе PDS 70.
Нам нужно найти молодые системы, расположенные достаточно близко, чтобы наши телескопы могли обнаружить тусклый свет самой планеты и отличить его от света диска. Весь процесс формирования планет длится всего несколько миллионов лет, что в астрофизических масштабах является не более чем мгновением ока. Это означает, что нам нужна удача, чтобы поймать их в процессе формирования.
Наша исследовательская группа провела компьютерное моделирование для определения свойств газообразных протопланет в различных тепловых условиях в колыбелях планет.
Моделирование имеет достаточное разрешение, чтобы проследить эволюцию протопланеты в диске с самого раннего этапа, когда она представляет собой всего лишь конденсацию внутри диска. Такое моделирование требует больших вычислительных ресурсов и проводилось на DiRAC, британском астрофизическом суперкомпьютерном центре.
Обычно внутри диска образуется несколько планет. Исследование показало, что протопланеты имеют форму, известную как сплюснутые сфероиды, такие как Smarties или M&M’s, а не сферическую форму. Они растут, всасывая газ преимущественно через полюса, а не через экватор.
Технически планеты нашей солнечной системы также представляют собой сплюснутые сфероиды, но их уплощение незначительно. Сатурн имеет уплощение на 10%, Юпитер — на 6%, тогда как Земля — всего на 0,3%.
Для сравнения, типичное уплощение протопланет составляет 90%. Такое уплощение повлияет на наблюдаемые свойства протопланет, и его необходимо учитывать при интерпретации наблюдений.
Как начинаются планеты
Наиболее широко распространенной теорией формирования планет является теория «аккреции ядра». Согласно этой модели, крошечные частицы пыли размером меньше песка сталкиваются друг с другом, группируются вместе и постепенно превращаются во все более крупные тела. Именно это и происходит с пылью под кроватью, если ее не убирать.
Когда-то пылевое ядро имело достаточно массивные формы, оно вытягивало газ из диска, образуя газовую планету-гигант. Этот подход снизу вверх займет несколько миллионов лет.
Противоположный подход, направленный сверху вниз, — это теория нестабильности диска. В этой модели протозвездные диски, сопровождающие молодые звезды, гравитационно нестабильны. Другими словами, они слишком тяжелы, чтобы их можно было поддерживать, и поэтому распадаются на части, которые превращаются в планеты.
Теория аккреции ядра существует уже давно и может объяснить многие аспекты формирования нашей Солнечной системы. Однако нестабильность диска может лучше объяснить некоторые экзопланетные системы, которые мы открыли в последние десятилетия, например, те, в которых газовая планета-гигант вращается очень-очень далеко от своей родительской звезды.
Привлекательность этой теории заключается в том, что формирование планет происходит очень быстро, в течение нескольких тысяч лет, что согласуется с наблюдениями, которые предполагают, что планеты существуют в очень молодых дисках.
Наше исследование было сосредоточено на газовых планетах-гигантах, образовавшихся на основе модели нестабильности диска. Они сплющены, потому что образуются в результате сжатия уже плоской структуры — протозвездного диска, а также из-за того, как они вращаются.
Нет плоской Земли
Хотя эти протопланеты в целом очень уплощены, их ядра, которые в конечном итоге превратятся в известные нам газовые гиганты, сплющены меньше — всего примерно на 20%. Это всего лишь в два раза больше, чем сплющивание Сатурна. Ожидается, что со временем они станут более сферическими.
Скалистые планеты, такие как Земля и Марс, не могут образоваться из-за нестабильности диска. Считается, что они образуются путем медленного объединения частиц пыли с галькой, камнями, объектами километрового размера и, в конечном итоге, с планетами. Они слишком плотные, чтобы их можно было значительно сплющить, даже когда они только что родились. Невозможно, чтобы Земля была сплющена до такой степени, когда она была молодой.
Но наше исследование подтверждает роль нестабильности диска в случае некоторых миров в некоторых планетных системах.
Сейчас мы переходим от эпохи открытия экзопланет к эпохе описания экзопланет. Многие новые обсерватории должны начать работу. Это поможет обнаружить больше протопланет, встроенных в их диски. Прогнозы на основе компьютерных моделей также становятся все более сложными.
Сравнение этих теоретических моделей и наблюдений приближает нас к пониманию происхождения нашей Солнечной системы.
Информация от: Разговором
