Космічна історія може пояснити властивості Меркурія, Венери, Землі та Марса

Астрономам вдалося пов’язати властивості внутрішніх планет Сонячної системи з нашою космічною історією: з появою кільцевих структур у закрученому диску газу й пилу, в якому формувалися ці планети. Кільця пов’язані з основними фізичними властивостями, такими як перехід із зовнішньої області, де може утворюватися лід, до області, де вода може існувати лише у вигляді водяної пари. Астрономи використали різноманітні симуляції для дослідження різних можливостей еволюції внутрішніх планет. Внутрішні області нашої Сонячної системи є рідкісним, але можливим результатом цієї еволюції. Дослідження було опубліковано в журналі Nature Astronomy.

Про це розповідається у пресрелізі Інституту астрономії Макса Планка, передають OstanniPodii.com.

Загальна картина формування планет навколо зірок була незмінною протягом десятиліть. Але багато з деталей досі не з’ясовані, а пошук пояснень є важливою частиною сучасних досліджень. Тепер група астрономів на чолі з Андре Ізідоро з Університету Райса, до якої також входить Бертрам Бітч з Інституту астрономії Макса Планка, знайшла пояснення, чому внутрішні планети нашої Сонячної системи мають властивості, які ми спостерігаємо.

Закручений диск і кільця, які все змінюють

У загальних рисах картина виглядає наступним чином: навколо молодої зірки утворюється "протопланетний диск" із газу та пилу, а всередині цього диска зростають дедалі більші маленькі тіла, які в кінцевому підсумку досягають діаметрів тисяч кілометрів, тобто стають планетами. Але останніми роками, завдяки сучасним методам спостережень, сучасна картина формування планет була уточнена та змінена у дуже конкретних напрямках.

Найяскравішу зміну викликало буквальне відображення: перше зображення, отримане спостереженням ALMA у 2014 році. На зображенні протопланетний диск навколо молодої зірки HL Tauri був показаний у безпрецедентній детальності, а найбільш приголомшливі деталі являли собою вкладену структуру з добре видимих ​​кілець і проміжків у цьому диску.

Оскільки дослідники, які займалися симуляціями структур протопланетних дисків, взялися за ці нові спостереження, стало зрозуміло, що такі кільця та розриви зазвичай пов′язані з "вигинами тиску", коли локальний тиск дещо нижчий, ніж у навколишніх регіонах. Ці локалізовані зміни, як правило, пов’язані зі зміною складу диска, здебільшого розміру пилових частинок.

Три ключові переходи, які призводять до утворення трьох кілець

Зокрема, існують вигини тиску, пов’язані з особливо важливими переходами в диску, які можна безпосередньо пов’язати з фундаментальною фізикою. Дуже близько до зірки, при температурах вище 1400 Кельвінів, силікатні сполуки (згадайте "піщинки") перебувають у газоподібному стані — вони просто занадто гарячі, щоб існувати в будь-якому іншому стані. Звичайно, це означає, що планети не можуть утворитися в такому гарячому регіоні. Нижче цієї температури силікатні сполуки "сублімуються", тобто будь-які силікатні гази безпосередньо переходять у твердий стан. Цей стрибок тиску визначає загальну внутрішню межу формування планет.

Далі, при температурі 170 Кельвінів (-100 градусів за Цельсієм), існує перехід між водяною парою, з одного боку, і водяним льодом, з іншого боку, відомий як снігова лінія води. (Причиною того, що температура набагато нижча за стандартні 0 градусів за Цельсієм, коли вода замерзає на Землі, є набагато нижчий тиск у порівнянні із земною атмосферою.) При ще нижчих температурах, 30 Кельвінів (-240 градусів Цельсія), знаходиться снігова лінія CO; нижче цієї температури окис вуглецю утворює твердий лід.

Вигини тиску як пастки для гальки

Що це означає для формування планетарних систем? Раніше проведені численні симуляції вже показали, як такі вигини тиску сприяють утворенню планетезималей — маленьких об’єктів діаметром від 10 до 100 кілометрів, які, як вважають, є будівельними блоками для планет. Зрештою, процес утворення починається з набагато, набагато меншого, а саме з пилу. Ці пилові зерна мають тенденцію збиратися в області низького тиску вигину тиску, оскільки зерна певного розміру дрейфують всередину (тобто до зірки), доки їх не зупинить більш високий тиск на внутрішній межі вигину.

Зі збільшенням концентрації зерен на вигині тиску і, зокрема, співвідношення твердого матеріалу (який має тенденцію до агрегації) до газу (який має тенденцію розштовхувати зерна) зернам стає легше утворювати гальку, а гальці – об’єднуватися у більші об’єкти. Галька – це те, що астрономи називають твердими агрегатами розміром від кількох міліметрів до кількох сантиметрів.

Роль вигинів тиску для (внутрішньої) Сонячної системи

Але досі лишалося відкритим питання щодо ролі цих підструктур у загальній формі планетарних систем, таких як наша Сонячна система, з її характерним розподілом кам′янистих внутрішніх планет земної групи та зовнішніх газоподібних планет. Саме цим питанням займалися Андре Ізідоро (Університет Райса), Бертрам Бітч з Інституту астрономії Макса Планка та їхні колеги. У пошуках відповідей вони об’єднали кілька симуляцій, що охоплюють різні аспекти та різні фази планетоутворення.

Зокрема, астрономи побудували модель газового диска з трьома вигинами тиску на межі переходу силікатів у газоподібний стан, а також снігових ліній води та CO. Потім вони запустили симуляції зі зростанням та фрагментуванням пилових зерен у газовому диску, утворенням планетезималей, зростанням від планетезималей до планетарних зародків (від 100 км в діаметрі до 2000 км) поблизу розташування нашої Землі (на "1 астрономічній одиниці" - відстані від Сонця), зростанням планетарних зародків до планет для планет земної групи та накопиченням планетезималів у новоутвореному поясі астероїдів.

У нашій власній Сонячній системі пояс астероїдів між орбітами Марса та Юпітера є домівкою для сотень менших тіл, які, як вважають, є залишками або уламками зіткнення планетезималей у цьому регіоні, які ніколи не виросли, щоб утворити зародки планет, не кажучи вже про планети.

Варіації на планетарну тему

Цікаве питання для симуляцій полягає у наступному: якби початкове налаштування було лише трохи іншим, чи був би кінцевий результат якоюсь мірою схожим? Розуміння такого роду варіацій є важливим для розуміння того, які з інгредієнтів є ключовими до результату симуляції. Ось чому Бітч разом з колегами проаналізували ряд різних сценаріїв з різними властивостями складу та температурного профілю диска. У деяких симуляціях вони використовують лише вигини тиску силікату та водяного льоду, а в інших — усі три.

Отримані результати вказують на прямий зв’язок між зовнішнім виглядом нашої Сонячної системи та кільцевою структурою її протопланетного диска. Бертрам Бітч з Інституту астрономії Макса Планка, який брав участь як у плануванні цієї дослідницької програми, так і в розробці деяких використаних методів, каже: «Для мене було повною несподіванкою, наскільки добре наші моделі змогли відобразити розвиток такої планетної системи, як наша, аж до дещо інших мас і хімічного складу Венери, Землі та Марса».

Як і очікувалося, у цих моделях планетезималі формувалися природним чином поблизу вигинів тиску, як у "космічному дорожньому заторі" для камінчиків, що дрейфують всередину та потім були б зупинені більш високим тиском на внутрішній межі вигину тиску.

Рецепт нашої (внутрішньої) Сонячної системи

Для внутрішніх частин симульованих систем дослідники визначили правильні умови для утворення чогось на зразок нашої власної Сонячної системи: якщо область, що знаходиться за межами внутрішнього (силікатного) вигину тиску, містить приблизно 2,5 маси Землі планетезималів, то вони зростають та утворюють тіла приблизно розміром з Марс — відповідно до внутрішніх планет Сонячної системи.

Більш масивний диск або вища ефективність формування планетезималей натомість призведе до утворення "суперземель", тобто значно масивніших кам′янистих планет. Ці суперземлі перебували б на близькій орбіті навколо зірки-господаря, прямо проти внутрішньої межі вигину тиску. Існування цієї межі також може пояснити, чому немає планети ближче до Сонця, ніж Меркурій — необхідний матеріал просто випарувався б так близько до зірки.

Симуляції заходять навіть так далеко, що пояснюють дещо відмінний хімічний склад Марса, з одного боку, Землі та Венери з іншого: у моделях Земля та Венера дійсно збирають більшу частину матеріалу, з яких буде складатися їх основна маса, з регіонів ближче до Сонця, ніж поточна орбіта Землі (одна астрономічна одиниця). Аналоги Марса в симуляціях, навпаки, були побудовані в основному з матеріалу з регіонів, трохи віддалених від Сонця.

Як побудувати пояс астероїдів

За межами орбіти Марса в результаті симуляцій була виявлена ​​область, яка спочатку була малонаселена або, в деяких випадках, навіть повністю порожня від планетезималей — попередник сучасного поясу астероїдів нашої Сонячної системи. Однак деякі планетезималі із зон всередині або безпосередньо за їх межами згодом збиваються в область поясу астероїдів і потрапляють у пастку.

Коли ці планетезималі зазнавали зіткнень, менші шматки, що утворилися, сформували б те, що ми сьогодні спостерігаємо як астероїди. Симуляції навіть здатні пояснити різні популяції астероїдів: те, що астрономи називають астероїдами S-типу, тіла, які в основному зроблені з кремнезему, будуть залишками безпритульних об’єктів, що походять з регіону навколо Марса, тоді як астероїди C-типу, які переважно містять вуглець, були б залишками безпритульних об′єктів із регіону безпосередньо за межами поясу астероїдів.

Зовнішні планети та пояс Койпера

У цій зовнішній області, безпосередньо за межею вигину тиску, що позначає внутрішню межу присутності водяного льоду, моделювання показує початок утворення планет-гігантів — планетезималі поблизу цієї межі зазвичай мають загальну масу від 40 до 100 мас Землі, що узгоджується з оцінками загальної маси ядер планет-гігантів нашої Сонячної системи: Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна.

У такій ситуації найбільш масивні планетезималі швидко наберуть більше маси. Нинішнє моделювання не простежувало (вже добре вивчену) пізнішу еволюцію цих планет-гігантів, яка включає первісну досить тісну групу, з якої Уран і Нептун пізніше мігрували назовні до своїх теперішніх положень.

І останнє, але не менш важливе, симуляції можуть пояснити остаточний клас об’єктів та його властивості: так звані об’єкти поясу Койпера, які утворилися за межами найвіддаленішого вигину тиску, що позначає внутрішню межу існування льоду з монооксиду вуглецю. Це навіть може пояснити незначні відмінності в складі між відомими об’єктами поясу Койпера: знову ж таки, як різницю між планетезималями, які спочатку утворилися поза межами снігової лінії CO і залишилися там, і планетезималями, які ввійшли в пояс Койпера із сусідньої внутрішньої області планет-гігантів.

Два основних результати та наша рідкісна Сонячна система

Загалом, розгорнення симуляцій призвело до двох основних результатів: у першому випадку дуже рано утворився вигин тиску на сніговій лінії вода-лід. У цьому випадку внутрішні та зовнішні області планетної системи розійшлися різними шляхами досить рано, протягом перших ста тисяч років. Це призвело до утворення планет земної групи малої маси у внутрішніх частинах системи, подібно до того, що сталося в нашій власній Сонячній системі.

Інакше, якщо вигин тиску вода-лід формується пізніше або не настільки виражений, то більша маса може дрейфувати у внутрішню область, що приведе натомість до утворення суперземель або мінінептунів всередині планетарних систем. Дані зі спостережень за екзопланетними системами, які астрономи знайшли на даний час, показують, що цей випадок є більш імовірним, а наша Сонячна система є порівняно рідкісним результатом утворення планет.

Перспективи

У цьому дослідженні астрономи зосередилися на внутрішній Сонячній системі та планетах земної групи. Надалі вони хочуть запустити симуляції, які включають деталі зовнішніх областей з Юпітером, Сатурном, Ураном і Нептуном. Кінцева мета — отримати повне пояснення властивостей нашої та інших систем.

Принаймні, що стосується внутрішньої Сонячної системи, ми тепер знаємо, що ключові властивості Землі та її найближчої сусідньої планети можна простежити до певної досить фундаментальної фізики: межа між замороженою водою та водяною парою та пов’язаного з цим вигину тиску в закрученому диску газу та пилу, що оточував молоде Сонце.

Результати, описані тут, 30 грудня 2021 року були опубліковані в журналі Nature Astronomy як А. Ізідоро та ін. «Планетезимальні кільця як причина планетарної архітектури Сонячної системи».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.