Суборбитальные полёты исследуют пылевые частицы

Заряженные частицы образовали агломерат. Автор: AG Wurm

Для того, чтобы пылинка размером с микрометр стала планетой диаметром 10 000 километров, требуются миллионы лет. Все начинается в дискообразном облаке газа (99%) и пыли (1%) — протопланетном диске. Здесь частицы пыли сталкиваются и образуют агломераты. Облака этих агломератов в конечном итоге коллапсируют в более крупные тела, называемые планетезималями, которые уже могут иметь диаметр от 1 до 100 километров. Благодаря гравитации планетезимали притягивают к себе дополнительную материю, вырастают в протопланеты, а затем в полноценные планеты.

В ходе процессов в диске частицы преодолевают барьер столкновения. «На самом деле, пылинки размером более 1 миллиметра вообще не могут расти, потому что они либо отскакивают друг от друга, либо распадаются», — объясняют астрофизики профессор, доктор Герхард Вурм и доктор Йенс Тейзер. «Но поскольку они продолжают сталкиваться, они заряжаются по-разному, а затем притягиваются друг к другу».

Команда уже наблюдала адгезию из-за электростатического заряда в предыдущих экспериментах с башней падения. Поскольку там было возможно только около девяти секунд времени измерения в условиях микрогравитации, они не смогли изучить окончательный размер и стабильность растущих тел.

Эксперименты в текущем исследовании проводились совершенно иначе: они проходили во время суборбитального полета зондирующей ракеты Европейского космического агентства (ЕКА). «Пока ракета поднималась на высоту 270 километров и возвращалась с нее, она давала нам шесть минут микрогравитации для управления и мониторинга наших экспериментов с земли», — говорит Тейзер.

Таким образом, команда UDE смогла напрямую наблюдать рост компактных агломератов размером около 3 сантиметров и точно измерить максимальную скорость, с которой отдельные частицы могут сталкиваться, не разрушая ничего.

Обход барьера отскока. В протопланетных дисках частицы пыли могут вырасти до миллиметра за счет удара и прилипания. При таком размере преобладает отскок. Частицы размером в дециметр могут далее эволюционировать в планетезимали. Это оставляет разрыв в размерах. Стабильность трибозаряженных кластеров может преодолеть этот разрыв в размерах при формировании планетезималей. Автор: Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-024-02470-x. https://www.nature.com/articles/s41550-024-02470-x

«Агломераты настолько стабильны, что могут выдерживать бомбардировку отдельными частицами со скоростью до 0,5 метра в секунду. Все, что быстрее, разрушает их», — подчеркивает астрофизик Вурм. «Кроме того, мы провели численное моделирование, которое показывает, что столкновения действительно приводят к сильному электростатическому заряду и притяжению».

«Мы были удивлены, обнаружив такие конкретные скорости эрозии», — добавляет Тейзер. «Тем более, что они близки к значениям, использованным в предыдущих симуляциях для фрагментации, т. е. распада частиц или объектов». Это означает, что физические условия аналогичны тем, при которых материал в дискообразном облаке вокруг молодой звезды подвергается эрозии или распаду.

Результаты работы группы UDE включены в физические модели протопланетных дисков и роста частиц и, таким образом, помогают понять детали формирования планет.

Больше информации: J. Teiser et al, The growth of super-large pre-planetary pebbles to an impact erosion limit, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-024-02470-x. www.nature.com/articles/s41550-024-02470-x

Источник: University of Duisburg-Essen