Космическая история может объяснить свойства Меркурия, Венеры, Земли и Марса.

Астрономам удалось связать свойства внутренних планет Солнечной системы с нашей космической историей: с появлением кольцевых структур в вихревом диске газа и пыли, в котором формировались эти планеты. Кольца связаны с основными физическими свойствами, такими как переход из внешней области, где может образовываться лед, в область, где вода может существовать только в виде водяного пара. Астрономы использовали различные симуляции для исследования разных возможностей эволюции внутренних планет. Внутренние области нашей Солнечной системы являются редким, но возможным результатом этой эволюции. Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Об этом рассказывается в пресс-релизе Института астрономии Макса Планка, передают OstanniPodii.com.

Общая картина формирования планет вокруг звезд была неизменной в течение десятилетий. Но многие детали до сих пор не выяснены, а поиск объяснений является важной частью современных исследований. Теперь группа астрономов во главе с Андре Изидоре из Университета Райса, в которую также входит Бертрам Битч из Института астрономии Макса Планка, нашла объяснение, почему внутренние планеты нашей Солнечной системы обладают свойствами, которые мы наблюдаем.

Вихревой диск и кольца, которые все меняют

В общих чертах картина выглядит следующим образом: вокруг молодой звезды образуется "протопланетный диск" из газа и пыли, а внутри этого диска растут все более маленькие тела, которые в конечном итоге достигают диаметров тысяч километров, то есть становятся планетами. Но в последние годы благодаря современным методам наблюдений современная картина формирования планет была уточнена и изменена в очень конкретных направлениях.

Самое яркое изменение вызвало буквальное представление: первое изображение, полученное наблюдением ALMA в 2014 году. На изображении протопланетный диск вокруг молодой звезды HL Tauri был показан в беспрецедентной подробности, а наиболее потрясающие детали представляли собой вложенную структуру из хорошо видимых колец и промежутков в этом диске.

Поскольку исследователи, занимавшиеся симуляциями структур протопланетных дисков, приступили к этим новым наблюдениям, стало ясно, что такие кольца и разрывы обычно связаны с "изгибами давления", когда локальное давление несколько ниже, чем в окружающих регионах. Эти локализованные изменения, как правило, связаны с изменением состава диска, в основном в размере пылевых частиц.

Три ключевых перехода, которые приводят к образованию трех колец

В частности, существуют изгибы давления, связанные с особо важными переходами в диске, которые можно связать с фундаментальной физикой. Очень близко к звезде, при температурах выше 1400 Кельвинов, силикатные соединения (вспомните "пещинки") находятся в газообразном состоянии – они просто слишком горячи, чтобы существовать в любом другом состоянии. Конечно, это означает, что планеты не могут образоваться в горячем регионе. Ниже этой температуры силикатные соединения "сублимируются", т.е. любые силикатные газы переходят непосредственно в твердое состояние. Этот скачок давления определяет общий внутренний предел формирования планет.

Далее, при температуре 170 Кельвинов (-100 градусов по Цельсию), существует переход между водяным паром, с одной стороны, и водяным льдом, с другой стороны, известный как снежная линия воды. (Причиной того, что температура намного ниже стандартных 0 градусов по Цельсию, когда вода замерзает на Земле, является гораздо более низкое давлением по сравнению с земной атмосферой.) При еще более низких температурах, 30 Кельвинов (-240 градусов Цельсия), находится снежная линия CO; ниже этой температуры окись углерода образует твердый лед.

Изгибы давления как ловушки для гальки

Что это значит для формирования планетарных систем? Ранее проведенные многочисленные симуляции уже показали, как изгибы давления способствуют образованию планетезималей — маленьких объектов диаметром от 10 до 100 километров, которые, как считают, являются строительными блоками для планет. В конце концов, процесс образования начинается с гораздо, гораздо меньшего, а именно с пыли. Эти пылевые зерна имеют тенденцию собираться в области низкого давления изгиба давления, поскольку зерна определенного размера дрейфуют внутрь (т.е. к звезде), пока их не остановит более высокое давление на внутренней границе изгиба.

С увеличением концентрации зерен на изгибе давления и, в частности, соотношения твердого материала (имеющего тенденцию к агрегации) к газу (который имеет тенденцию расталкивать зерна) зернам становится легче образовывать гальку, а гальке – объединяться в более крупные объекты. Галька – это то, что астрономы называют жесткими агрегатами размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Роль изгибов давления для (внутренней) Солнечной системы

Но до сих пор оставался открытым вопрос о роли этих подструктур в общей форме планетарных систем, таких как наша Солнечная система, с ее характерным распределением каменистых внутренних планет земной группы и внешних газообразных планет. Именно этим вопросом занимались Андре Изидора (Университет Райса), Бертрам Битч из Института астрономии Макса Планка и их колеги. В поисках ответов они объединили несколько симуляций, охватывающих разные аспекты и разные фазы планетообразования.

В частности, астрономы построили модель газового диска с тремя изгибами давления на границе перехода силикатов в газообразное состояние, а также снеговых линий воды и CO. Затем они запустили симуляции с ростом и фрагментированием пылевых зерен в газовом диске, образованием планетезималей, ростом от планетезималей до планетарных зародышей (от 100 км в диаметре до 2000 км) вблизи расположения нашей Земли (на "1 астрономической единице" - расстояние от Солнца), ростом планетарных зародышей к планетам для планет земной группы и накоплением планетезималей в новообразованном поясе астероидов.

В нашей Солнечной системе пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера является домом для сотен меньших тел, которые, как считают, являются остатками или обломками столкновения планетезималей в этом регионе, которые никогда не выросли, чтобы образовать зародыши планет, не говоря уже о планетах.

Вариации на планетарную тему

Интересный вопрос для симуляций состоит в следующем: если бы начальная настройка была лишь несколько иной, был бы конечный результат в какой-то мере похож? Понимание такого рода вариаций важно для понимания того, какие из ингредиентов являются ключевыми к результату симуляции. Вот почему Битч вместе с коллегами проанализировали ряд разных сценариев с разными свойствами состава и температурного профиля диска. В некоторых симуляциях они используют только изгибы давления силиката и водяного льда, а в других все три.

Полученные результаты указывают на прямую связь между внешним видом нашей Солнечной системы и кольцевой структурой ее протопланетного диска. Бертрам Битч из Института астрономии Макса Планка, который участвовал как в планировании этой исследовательской программы, так и в разработке некоторых использованных методов, говорит: «Для меня было полной неожиданностью, насколько хорошо наши модели смогли отразить развитие такой планетной системы, как наша, даже до других масс и химического состава Венеры, Земли и Марса».

Как и ожидалось, в этих моделях планетезимали формировались естественным образом вблизи изгибов давления, как в "космической дорожной пробке" для дрейфующих внутрь камешков, которые затем были бы остановлены более высоким давлением на внутренней границе изгиба давления.

Рецепт нашей (внутренней) Солнечной системы

Для внутренних частей симулированных систем исследователи определили правильные условия для образования чего-то вроде нашей собственной Солнечной системы: если область, находящаяся за пределами внутреннего (силикатного) изгиба давления, содержит примерно 2,5 массы Земли планетезималей, то они растут и образуют тела примерно размером с Марс – согласно внутренним планетам Солнечной системы.

Более массивный диск или более высокая эффективность формирования планетезималей приведет к образованию "суперземель", т.е. значительно более массивных каменистых планет. Эти суперземли находились бы на близкой орбите вокруг звезды-хозяина, прямо напротив внутреннего предела изгиба давления. Существование этого предела также может объяснить, почему нет планеты ближе Солнца, чем Меркурий — необходимый материал просто испарился бы так близко к звезде.

Симуляции заходят даже так далеко, что объясняют несколько отличный химический состав Марса, с одной стороны, Земли и Венеры с другой: в моделях Земля и Венера действительно собирают большую часть материала, из которых будет состоять их основная масса, из регионов ближе Солнца, чем текущая орбита Земли (одна астрономическая единица). Аналоги Марса в симуляциях, напротив, были построены в основном из материала из регионов, немного отдаленных от Солнца.

Как построить пояс астероидов

За пределами орбиты Марса в результате симуляций была обнаружена область, которая изначально была малонаселена или, в некоторых случаях, даже полностью пуста от планетезималей – предшественник современного пояса астероидов нашей Солнечной системы. Однако некоторые планетезимали из зон внутри или непосредственно за их пределами впоследствии сбиваются в область пояса астероидов и попадают в ловушку.

Когда эти планетезимали сталкивались, образовавшиеся меньшие куски сформировали бы то, что мы сегодня наблюдаем как астероиды. Симуляции даже способны объяснить различные популяции астероидов: то, что астрономы называют астероидами S-типа, тела, в основном сделанные из кремнезема, будут остатками беспризорных объектов, происходящих из региона вокруг Марса, тогда как астероиды C-типа, преимущественно содержащие углерод, являющиеся остатками беспризорных объектов из региона непосредственно за пределами пояса астероидов.

Наружные планеты и пояс Койпера

В этой внешней области, непосредственно за пределом изгиба давления, обозначающего внутренний предел присутствия водяного льда, моделирование показывает начало образования планет-гигантов — планетезимали вблизи этого предела обычно имеют общую массу от 40 до 100 масс Земли, что согласуется с оценками общей массы ядер планет-гигантов нашей Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

В такой ситуации наиболее массивные планетезимали быстро наберут больше массы. Нынешнее моделирование не прослеживало (уже хорошо изученную) позднейшую эволюцию этих планет-гигантов, включающую первоначальную довольно тесную группу, из которой Уран и Нептун позже мигрировали наружу к своим нынешним положениям.

И последнее, но не менее важное, симуляции могут объяснить окончательный класс объектов и его свойства: так называемые объекты пояса Койпера, образовавшиеся за пределами отдаленного изгиба давления, обозначающего внутренний предел существования льда из монооксида углерода. Это даже может объяснить незначительные различия в составе между известными объектами пояса Койпера: опять же, как разницу между планетезималями, которые сначала образовались за пределами снежной линии CO и остались там, и планетезималями, вошедшими в пояс Койпера из соседней внутренней области планет-гигантов.

Два основных результата и наша редкая Солнечная система

В общем, развертывание симуляций привело к двум основным результатам: в первом случае очень рано образовался изгиб давления на снежной линии вода-лед. В этом случае внутренние и внешние области планетной системы разошлись разными путями довольно рано, в течение первых ста тысяч лет. Это привело к образованию планет земной группы малой массы во внутренних частях системы, подобно тому, что произошло в нашей собственной Солнечной системе.

Иначе, если изгиб давления вода-лед формируется позже или не столь выражен, то большая масса может дрейфовать во внутреннюю область, что приведет к образованию суперземель или мини-нептунов внутри планетарных систем. Данные из наблюдений за экзопланетными системами, найденных астрономами до настоящего времени, показывают, что этот случай является более вероятным, а наша Солнечная система является сравнительно редким результатом образования планет.

Перспективы

В этом исследовании астрономы сосредоточились на внутренней Солнечной системе и планетах земной группы. В дальнейшем они хотят запустить симуляции, включающие детали внешних областей с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Конечная цель – получить полное объяснение свойств нашей и других систем.

По крайней мере, что касается внутренней Солнечной системы, мы теперь знаем, что ключевые свойства Земли и ее ближайшей соседней планеты можно проследить до определенной фундаментальной физики: граница между замороженной водой и водяным паром и связанного с этим изгибом давления в вихревом диске газа и пыли, окружавшем молодое Солнце.

Результаты, описанные здесь, 30 декабря 2021 года были опубликованы в журнале Nature Astronomy как А. Изидора и др. "Планетезимальные кольца как причина планетарной архитектуры Солнечной системы".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.