Эксперт объясняет доказательства формирования планет посредством гравитационной нестабильности

Глобальные спирали в диске AB Aur. Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07877-0

Экзопланеты формируются в протопланетных дисках, скоплении космической пыли и газа, вращающихся вокруг звезды. Ведущая теория формирования планет, называемая аккрецией ядра, происходит, когда частицы пыли в диске собираются и растут, образуя планетарное ядро, как снежный ком, катящийся с горы. Как только он обретает достаточно сильное гравитационное притяжение, другой материал сжимается вокруг него, образуя атмосферу.

Вторичная теория формирования планет — гравитационный коллапс. В этом сценарии сам диск становится гравитационно нестабильным и коллапсирует, образуя планету, подобно снегу, сгребаемому в кучу. Этот процесс требует, чтобы диск был массивным, и до недавнего времени не было известных жизнеспособных кандидатов для наблюдения; предыдущие исследования обнаружили снежную кучу, но не то, что ее создало.

Однако в новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, профессор кафедры развития карьеры имени Керра-Макги Массачусетского технологического института Ричард Тиг и его коллеги сообщают о доказательствах того, что движение газа, окружающего звезду AB Возничего, ведет себя так, как и следовало ожидать в гравитационно нестабильном диске, что соответствует численным прогнозам.

Их открытие сродни обнаружению снегоочистителя, который сделал кучу. Это указывает на то, что гравитационный коллапс является жизнеспособным методом формирования планет. Здесь Тиг, который изучает формирование планетных систем в Отделе наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS), отвечает на несколько вопросов о новой работе.

Что сделало систему AB Возничего хорошим кандидатом для наблюдения?

Было много наблюдений, которые предполагали некоторую интересную динамику, происходящую в системе. Группы видели спиральные рукава внутри диска; люди обнаружили горячие точки, которые некоторые группы интерпретировали как планету; другие объяснили это как какую-то другую нестабильность. Но это был действительно диск, и мы знали, что там происходило много интересных движений. Данные, которые у нас были ранее, были достаточны, чтобы увидеть, что это было интересно, но не настолько хороши, чтобы подробно описать, что происходило.

Что такое гравитационная нестабильность применительно к протопланетным дискам?

Гравитационная нестабильность возникает, когда гравитация самого диска достаточно сильна, чтобы возмущать движения внутри диска. Обычно мы предполагаем, что гравитационный потенциал доминирует центральная звезда, что имеет место, когда масса диска составляет менее 10% от массы звезды (что имеет место большую часть времени).

Когда масса диска становится слишком большой, гравитационный потенциал будет влиять на нее разными способами и приводить в движение эти очень большие спиральные рукава в диске. Они могут иметь множество различных эффектов: они могут удерживать газ, они могут нагревать его, они могут позволять угловому моменту очень быстро переноситься внутри диска.

Если он нестабилен, диск может фрагментироваться и коллапсировать напрямую, образуя планету за невероятно короткий промежуток времени. Вместо десятков тысяч лет, которые потребовались бы для аккреции ядра, это произошло бы за долю этого времени.

Как это открытие бросает вызов общепринятым представлениям о формировании планет?

Это показывает, что этот альтернативный путь формирования планет через прямой коллапс — это способ, которым мы можем формировать планеты. Это особенно важно, потому что мы находим все больше и больше свидетельств существования очень больших планет — скажем, массой Юпитера или больше — которые находятся очень далеко от своей звезды.

Такие планеты невероятно сложно сформировать с помощью аккреции ядра, потому что обычно они нужны близко к звезде, где все происходит быстро. Так что сформировать что-то настолько массивное, так далеко от звезды — это настоящая проблема.

Если мы сможем показать, что существуют источники, которые достаточно массивны, чтобы быть гравитационно нестабильными, это решит эту проблему. Это способ, которым, возможно, могут быть сформированы более новые системы, потому что они всегда были немного сложными для понимания того, как они появились с аккрецией ядра.

Больше информации: Jessica Speedie, Gravitational instability in a planet-forming disk, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07877-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07877-0

Источник: Massachusetts Institute of Technology