Астрофізики побудували модель, яка пояснює швидке формування планет

Дослідники розробили нову модель, яка пояснює формування планет-гігантів, таких як Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Модель дає глибше розуміння процесів формування планет і може розширити розуміння нами планетних систем.

Про це розповідають в Excellence Cluster ORIGINS, передають OstanniPodii.com.

Наша Сонячна система — це наше безпосереднє космічне оточення. Ми добре знаємо її: в центрі знаходиться Сонце, потім кам'янисті планети Меркурій, Венера, Земля та Марс, пояс астероїдів, за ним газові гіганти Юпітер і Сатурн, потім крижані гіганти Уран і Нептун і, нарешті, пояс Койпера з його кометами. Але наскільки добре ми знаємо наш дім?

Попередні теорії припускали, що гігантські планети утворюються внаслідок зіткнень і скупчень астероїдоподібних небесних тіл, так званих планетезималей, і подальшої акреції газу упродовж мільйонів років. Однак ці моделі не пояснюють ані існування газових гігантів, розташованих далеко від своїх зірок, ані формування Урана й Нептуна.

Від пилинки до гігантської планети

Астрофізики з Мюнхенського університету імені Людвига й Максиміліана (LMU), Кластера ORIGINS та Інституту Макса Планка з дослідження Сонячної системи (MPS)  розробили першу в історії модель, яка включає всі необхідні фізичні процеси, що відіграють роль у формуванні планет.

Використовуючи цю модель, вони показали, що кільцеві збурення в протопланетних дисках, так звані субструктури, можуть спровокувати швидке формування кількох газових гігантів. Результати дослідження узгоджуються з останніми спостереженнями та вказують на те, що формування планет-гігантів може відбуватися більш ефективно й швидко, ніж вважалося раніше.

За допомогою своєї моделі дослідники демонструють, як частинки пилу міліметрового розміру аеродинамічно накопичуються в турбулентному газовому диску, і як це початкове збурення в диску вловлює пил і не дає йому зникнути в напрямку зорі. Таке накопичення робить ріст планет дуже ефективним, оскільки раптово з'являється багато “будівельного матеріалу” в межах компактної області й відповідні умови для формування планети.

“Коли планета стає достатньо великою, щоб впливати на газовий диск, це призводить до відновлення збагачення пилу далі в диску”, - пояснює Тіль Бірнстіл, професор теоретичної астрофізики в LMU та член Кластера ORIGINS. “В процесі планета витісняє пил — як вівчарка, що женеться за стадом, — в область за межами власної орбіти”. Процес починається заново, зсередини назовні, і може утворитися ще одна гігантська планета.

“Це перший раз, коли симуляція простежила процес, за допомогою якого дрібний пил перетворюється на гігантські планети”, - зазначає Томмі Чі Хо Лау, провідний автор дослідження й докторант LMU.

Різноманітність газових гігантів у нашій та інших системах

У нашій Сонячній системі газові гіганти розташовані на відстані від 5 астрономічних одиниць (а.о.) (Юпітер) до 30 а.о. (Нептун) від Сонця. Для порівняння, Земля знаходиться на відстані близько 150 мільйонів кілометрів від Сонця, що еквівалентно 1 а.о.

Дослідження показує, що в інших планетних системах збурення може запустити процес на значно більших відстанях і при цьому відбуватися дуже швидко. Такі системи часто спостерігалися в останні роки радіообсерваторією ALMA (Атакамська велика решітка міліметрового діапазону), яка знаходила газові гіганти в молодих дисках на відстані понад 200 а.о. Однак модель також пояснює, чому наша Сонячна система, очевидно, перестала утворювати додаткові планети після Нептуна: будівельний матеріал просто вичерпався.

Результати дослідження узгоджуються з сучасними спостереженнями молодих планетних систем, які мають яскраво виражені субструктури в своїх дисках. Ці субструктури відіграють вирішальну роль у формуванні планет. Дослідження вказує на те, що формування планет-гігантів і газових гігантів відбувається з більшою ефективністю та швидкістю, ніж передбачалося раніше.

Як зазначають дослідники, ці нові дані можуть уточнити наше розуміння походження й розвитку планет-гігантів у Сонячній системі та пояснити різноманітність спостережуваних планетних систем.

Дослідження було опубліковане в журналі Astronomy & Astrophysics.