Рождение планет — проще, чем считалось ранее

Планеты — это удивительные творения природы, которые поражают нас своим разнообразием и красотой. Но как они возникают из хаоса пыли и газа, окружающего молодые звезды? Этот вопрос долгое время занимал умы ученых, которые пытались воссоздать процесс формирования планет в лабораторных условиях и компьютерных моделях. Недавно японские астрофизики сделали важный шаг в понимании этого сложного и захватывающего явления.

От пылинки до планеты

Планеты образуются в протопланетных дисках — плоских облаках пыли и газа, которые вращаются вокруг молодых звезд. Эти диски имеют размер от нескольких до сотен астрономических единиц (одна а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца) и содержат достаточно материи для создания нескольких планет.

Процесс формирования планет можно условно разделить на несколько этапов. На первом этапе частицы пыли, имеющие размер от микрометров до миллиметров, слипаются вместе и образуют зерна. На втором этапе зерна растут до размеров сантиметров и дециметров, сталкиваясь и склеиваясь друг с другом. На третьем этапе из этих зерен формируются планетезимали — массивные тела, имеющие размер от метров до километров. Именно эти планетезимали являются строительными блоками новых планет, которые на последнем этапе собираются вместе за счет гравитационного притяжения.

Два пути к планетезималям

Самым сложным и загадочным этапом в этой цепочке является переход от зерен к планетезималям. Каким образом мелкие частицы пыли могут превратиться в гигантские каменные или ледяные глыбы? Ученые предлагают два основных механизма, которые могут объяснить этот скачок в размерах.

Первый механизм называется коагуляцией. Он заключается в том, что частицы пыли сталкиваются и склеиваются друг с другом за счет электростатических сил или Ван-дер-Ваальсовых сил. Этот процесс может быть эффективным в областях протопланетного диска, где плотность пыли высока, а скорость столкновений низка. Однако коагуляция имеет свои ограничения: если частицы сталкиваются слишком быстро, они будут разрушаться, а не слипаться. Кроме того, коагуляция затруднена в присутствии газа, который создает трение и тормозит рост частиц.

Второй механизм называется потоковой неустойчивостью. Он заключается в том, что частицы пыли концентрируются в областях протопланетного диска, где скорость газа отличается от кеплеровской (скорости, при которой тело вращается по круговой орбите вокруг звезды). Это приводит к тому, что частицы пыли образуют рыхлые комки, которые могут достигать размеров от десятков до сотен километров. Если эти комки достаточно массивны, они могут сжиматься под действием собственной гравитации и образовывать планетезимали.

Синергия роста и комкования

Какой из этих двух механизмов играет более важную роль в формировании планетезималей? На этот вопрос попытались ответить Рёсукэ Томинага из Лаборатории формирования звезд и планет RIKEN и Хидекадзу Танака из Тохоку университета. Они создали физическую модель, которая симулирует поведение частиц пыли в протопланетных дисках, учитывая различные факторы, такие как скорость, липкость, температура и плотность пыли и газа.

Их модель показала, что оба механизма происходят с похожими скоростями и взаимодействуют друг с другом, создавая положительную обратную связь. Рост пыли увеличивает эффективность комкования, так как большие частицы легче выделяются из потока газа и собираются вместе. Сильное комкование способствует росту пыли, так как внутри комков скорость столкновений низкая, а липкость высокая. Таким образом, процессы роста и комкования помогают друг другу быстро продвигаться к формированию планетезималей.

Этот эффект сохраняется как для ледяных частиц пыли, которые доминируют во внешних областях протопланетных дисков, так и для кремнистых частиц, которые преобладают во внутренних областях. Это означает, что планетезимали могут образовываться в разных частях диска, что в свою очередь влияет на характеристики будущих планет.

Перспективы исследований

Работа Томинаги и Танаки представляет собой важный вклад в понимание процесса формирования планетезималей, который является ключевым звеном в цепочке рождения планет. Однако их модель дает лишь простую оценку роста пыли, не учитывая многие детали, такие как форма, структура и состав частиц. Для получения более точной и подробной картины необходимы более сложные численные симуляции, а так же необходимы наблюдения за реальными протопланетными дисками, которые могут подтвердить или опровергнуть теоретические предсказания.

В настоящее время существуют мощные инструменты для изучения протопланетных дисков, такие как атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA) и очень большой телескоп (VLT). Они позволяют получать высококачественные изображения и спектры дисков, на которых можно увидеть различные структуры, такие как щели, спирали, кольца и вихри. Эти структуры могут быть связаны с процессами формирования планетезималей и планет, а также с их взаимодействием с окружающим диском.

Одним из самых знаменитых примеров такого наблюдения является диск вокруг звезды HL Tauri, который был сфотографирован ALMA в 2014 году. На этом изображении можно увидеть несколько ярких и темных кольцевых структур, которые могут быть интерпретированы как следы формирующихся планет. Это открытие было сенсационным, так как звезда HL Tauri очень молода (около миллиона лет) и не ожидалось, что в ее диске уже могут быть планеты.

Заключение

Формирование планет — это одна из самых увлекательных и актуальных тем в современной астрофизике. Благодаря новым теоретическим моделям и наблюдаемым данным мы можем лучше понять, как из примитивных частиц пыли и газа возникают сложные и разнообразные миры. Это знание поможет нам не только раскрыть тайны происхождения нашей собственной планеты и Солнечной системы, но и обнаружить и исследовать новые планеты вокруг других звезд.