Прежде чем вокруг молодой звезды образуются планеты, протосолнечный диск населен бесчисленными планетезималями. Со временем эти планетезимали объединяются, образуя планеты, и теория основной аккреции объясняет, как это происходит. Но до появления планет диск, полный планетезималей, представлял собой грязное место.
История столкновения каменных объектов друг с другом записана в кратерах, покрывающих поверхности планет и лун. Но это макромасштаб истории. Планетезимали – это нечто большее, чем их возможная аккреция в планеты.
Новые исследования показывают, что эти небольшие тела подвержены встречным ветрам, состоящим из газа и частиц протосолнечного диска, которые могут ударить их и выбросить каменистые обломки в космос. Это новый поворот в нашем понимании того, как формируются каменистые планеты.
(Примечание по терминологии: протосолнечный диск — это диск из газа и пыли, который существует, пока формируется звезда в центре. Протопланетный диск — это тот же диск после того, как звезда сформировалась, но пока еще формируются планеты.)
Тема исследования: «Ветровая эрозия и перенос планетезималей». Оно опубликовано в журнале «Икар», а ведущий автор — Элис Квиллен, профессор астрономии и астрофизики Рочестерского университета.
Новое исследование касается планетезималей диаметром от 10 до 100 км, встроенных в протосолнечную туманность. В этих туманностях звезды еще не являются настоящими звездами. Это молодые звездные объекты, которые не подвергаются ядерному синтезу. Значит, их ударяют не звездные ветры; это встречный ветер в самой туманности. Эти встречные ветры состоят из газа и пыли в диске и возникают из-за разницы в скоростях материала диска и планетезимали. Также свой вклад вносят различия температуры и давления в разных областях протосолнечного диска.
«Мы рассматриваем возможность того, что эоловые (переносимые ветром) процессы происходят на небольших планетезималях диаметром от 1 до 100 км, когда они были встроены в протосолнечную туманность», — пишут авторы.
Планетезимали образуются за счет сцепления. Когда мелкие частицы сталкиваются друг с другом в протосолнечной туманности, они слипаются. Но молодая туманность — это хаотичное и беспорядочное место. Существуют столкновения, которые могут либо добавить больше материала к планетезималям, либо удалить материал. Частицы и газ могут обмениваться угловым моментом, а также существует давление газа. На этом этапе, который может длиться несколько миллионов лет, происходит много всего.
Со временем достаточное количество частиц слипается, и планетезималь принимает форму.
Но в молодом диске существует давление газа, и когда планетезималь движется через него, он воспринимает это как встречный ветер, полный частиц. Этот встречный ветер достаточно силен, чтобы преодолеть сцепление поверхности планетезимали.
«Эоловый (ветровой) перенос частиц происходил на многих телах Солнечной системы, включая Землю, Марс, Венеру, Тритон, Титан, Плутон, Ио и комету 67P/Чурюмов Герасименко», — пишут авторы. «Повсеместное распространение эоловых процессов в Солнечной системе предполагает, что поверхности планетезималей могут быть изменены встречными ветрами протозвездных дисков и частицами внутри них».
По мнению авторов, встречный ветер в протозвездном диске достаточно мощный, чтобы отрывать от планетезималей частицы сантиметрового и меньшего размера. Это может произойти на планетезимали диаметром 10 км во внутренней Солнечной системе.
За пределами Солнечной системы происходит нечто иное. Частицы встречного ветра ударяются о планетезимали и удаляют с поверхности частицы микронного размера. Эти частицы могут быть выброшены в космос или распределены обратно на поверхность планетезимали.
Для планетезималей диаметром менее 6 км эрозия частиц встречным ветром приводит к потере массы, а не к аккреции. Такие факторы, как скорость ветра, размер частиц встречного ветра и размер материала, влияют на общий процесс.
В качестве примера авторы приводят Аррокот, известный объект пояса Койпера. Это транснептуновый объект, который, вероятно, сформировался во внешней части Солнечной системы. Вероятно, он образовался, когда два объекта столкнулись на относительно низкой скорости. «Среди наиболее ярких особенностей Аррокота — гладкая и холмистая местность, присутствующая на его большей доле (или голове), также называемой Вену», — пишут авторы.
Аррокот — это не только транснептуновый объект; это комета семейства Юпитера. Эти кометы возникли как объекты пояса Койпера, но были втянуты во внутреннюю часть Солнечной системы под действием гравитации крупных газовых гигантов. В то время как на поверхности других комет семейства Юпитера есть скалы, валуны и пропасти, поверхность Аррокота по сравнению с ней удивительно гладкая. Имеющиеся данные показывают, что Аррокот образовался, когда диск вокруг молодого звездного объекта, который впоследствии стал Солнцем, был оптически толстым. Таким образом, на его поверхность не повлияло сияние молодого Солнца. Это указывает на то, что ее поверхность сформировалась в результате другого процесса.
«Ветры от протозвездного диска могли объяснить гладкую холмистую местность Аррокота у объекта пояса Койпера (486958)», — пишут они, но только тогда, когда частиц было много и только когда их скорость была низкой.
Это исследование чрезвычайно подробное. Но в целом это показывает, что эоловые процессы могут изменять поверхности планетезималей и играть роль в процессе формирования планет. Здесь задействовано множество переменных, таких как скорость встречного ветра, давление газа, размер частиц и скорость планетезималей. Иногда частицы удаляются из планетезимали; иногда они выплескиваются обратно на поверхность.
Основная переменная — расстояние от протозвезды. Это играет большую роль в процессе. «Скорость эрозии или аккреции выше во внутренней части Солнечной системы, где плотность диска выше», — пишут авторы.
«Взаимодействие между встречным ветром, богатым частицами, и планетезималями, вероятно, вызовет множество интересных явлений, которые могут стать предметом будущих исследований», — заключают авторы.
