Астрофизики построили модель, которая объясняет быстрое формирование планет

Исследователи разработали новую модель, которая объясняет формирование планет-гигантов, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Модель дает более глубокое понимание процессов формирования планет и может расширить понимание нами планетных систем.

Об этом рассказывают в Excellence Cluster ORIGINS, передают OstanniPodii.com.

Наша Солнечная система — это наше непосредственное космическое окружение. Мы хорошо знаем ее: в центре находится Солнце, затем каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс, пояс астероидов, за ним газовые гиганты Юпитер и Сатурн, затем ледяные гиганты Уран и Нептун и, наконец, пояс Койпера с его кометами. Но насколько хорошо мы знаем наш дом?

Предыдущие теории предполагали, что гигантские планеты образуются в результате столкновений и скоплений астероидоподобных небесных тел, так называемых планетезималей, и последующей аккреции газа в течение миллионов лет. Однако эти модели не объясняют ни существование газовых гигантов, расположенных далеко от своих звезд, ни формирование Урана и Нептуна.

От пылинки до гигантской планеты

Астрофизики из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU), Кластера ORIGINS и Института Макса Планка по исследованию Солнечной системы (MPS) разработали первую в истории модель, которая включает все необходимые физические процессы, играющие роль в формировании планет.

Используя эту модель, они показали, что кольцевые возмущения в протопланетных дисках, так называемые субструктуры, могут спровоцировать быстрое формирование нескольких газовых гигантов. Результаты исследования согласуются с последними наблюдениями и указывают на то, что формирование планет-гигантов может происходить более эффективно и быстро, чем считалось ранее.

С помощью своей модели исследователи демонстрируют, как частицы пыли миллиметрового размера аэродинамически накапливаются в турбулентном газовом диске, и как это начальное возмущение в диске улавливает пыль и не дает ей исчезнуть в направлении звезды. Такое накопление делает рост планет очень эффективным, поскольку внезапно появляется много «строительного материала» в пределах компактной области и подходящие условия для формирования планеты.

«Когда планета становится достаточно большой, чтобы влиять на газовый диск, это приводит к возобновлению обогащения пыли дальше в диске», - объясняет Тиль Бирнстил, профессор теоретической астрофизики в LMU и член Кластера ORIGINS. «В процессе планета вытесняет пыль — как овчарка, гонящаяся за стадом, — в область за пределами собственной орбиты». Процесс начинается заново, изнутри наружу, и может образоваться еще одна гигантская планета.

«Это первый раз, когда симуляция проследила процесс, с помощью которого мелкая пыль превращается в гигантские планеты», - отмечает Томми Чи Хо Лау, ведущий автор исследования и докторант LMU.

Разнообразие газовых гигантов в нашей и других системах

В нашей Солнечной системе газовые гиганты расположены на расстоянии от 5 астрономических единиц (а.е.) (Юпитер) до 30 а.е. (Нептун) от Солнца. Для сравнения, Земля находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Солнца, что эквивалентно 1 а.е.

Исследование показывает, что в других планетных системах возмущение может запустить процесс на значительно больших расстояниях и при этом происходить очень быстро. Такие системы часто наблюдались в последние годы радиообсерваторией ALMA (Атакамская большая решетка миллиметрового диапазона), которая находила газовые гиганты в молодых дисках на расстоянии более 200 а.е. Однако модель также объясняет, почему наша Солнечная система, очевидно, перестала образовывать дополнительные планеты после Нептуна: строительный материал просто иссяк.

Результаты исследования согласуются с современными наблюдениями молодых планетных систем, которые имеют ярко выраженные субструктуры в своих дисках. Эти субструктуры играют решающую роль в формировании планет. Исследование указывает на то, что формирование планет-гигантов и газовых гигантов происходит с большей эффективностью и скоростью, чем предполагалось ранее.

Как отмечают исследователи, эти новые данные могут уточнить наше понимание происхождения и развития планет-гигантов в Солнечной системе и объяснить разнообразие наблюдаемых планетных систем.

Исследование было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.