Астрофизики построили модель, объясняющую быстрое образование планет

Впечатление художника: молодая звезда, окруженная протопланетным диском из газа и пыли. Кольцеобразные турбулентные возмущения (субструктуры) в диске приводят к быстрому образованию нескольких газовых и ледяных гигантов. Автор: LMU / Thomas Zankl, crushed eyes media

Но насколько хорошо мы действительно знаем свой дом? Предыдущие теории предполагали, что планеты-гиганты 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 существования газовых гигантов, расположенных вдали от своих звезд, ни образования Урана и Нептуна.

От пылинки до планеты-гиганта

Астрофизики из LMU, кластера ORIGINS и MPS разработали первую в мире модель, включающую все необходимые физические процессы, которые играют роль в формировании планет. Используя эту модель, они показали, что кольцевые возмущения в протопланетных дисках, так называемых субструктурах, могут спровоцировать быстрое образование нескольких газовых гигантов.

Результаты исследования соответствуют последним наблюдениям и указывают на то, что формирование планет-гигантов могло происходить более эффективно и быстро, чем считалось ранее. Исследование опубликованов журнале Astronomy & Astrophysicals.

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 предотвращает ее исчезновение в направлении звезды. Такое накопление делает рост планет очень эффективным, поскольку внезапно на компактной территории становится доступно много «строительного материала» и возникают подходящие условия для формирования планет.

«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 передового опыта ORIGINS. «При этом планета гонит пыль — как овчарка, преследующая свое стадо, — в область за пределами своей орбиты».

Процесс начинается заново, изнутри наружу, и может сформироваться еще одна гигантская планета. «Впервые с помощью моделирования удалось проследить процесс, в результате которого мелкая пыль превращается в планеты-гиганты», — отмечает Томми Чи Хо Лау, ведущий автор исследования и докторант LMU.

Разнообразие газовых гигантов в нашей и других солнечных системах

В нашей Солнечной системе газовые гиганты расположены на расстоянии от 5 астрономических единиц (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 этот процесс на гораздо больших расстояниях и при этом происходить очень быстро. Такие системы в последние годы часто наблюдались радиообсерваторией ALMA, обнаружившей газовые гиганты в молодых дисках на расстоянии более 200 а.е. Однако модель также объясняет, почему наша Солнечная система, по-видимому, перестала образовывать дополнительные планеты после Нептуна: строительный материал просто израсходовался.

Результаты исследования совпадают с текущими наблюдениями за молодыми планетными системами, имеющими выраженные субструктуры в своих дисках. Эти субструктуры играют решающую роль в формировании планет. Исследование показывает, что образование планет-гигантов и газовых гигантов происходит с большей эффективностью и скоростью, чем предполагалось ранее.

Эти новые открытия могут улучшить наше понимание происхождения и развития планет-гигантов в нашей солнечной системе и объяснить разнообразие наблюдаемых планетных систем.

Больше информации: Tommy Chi Ho Lau et al, Sequential giant planet formation initiated by disc substructure, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202450464