Наклон Урана, по существу, имеет планету, вращающуюся вокруг Солнца, его ось вращения почти направлена на Солнце.
(Изображение: © НАСА и Эрих Каркошка, штат Аризона)
Хотя планеты окружают звезды в галактике, как они образуются, остается предметом дискуссий. Несмотря на богатство миров в нашей собственной солнечной системе, ученые до сих пор не уверены, как строятся планеты. В настоящее время две теории претендуют на роль чемпиона.
Первый и наиболее широко принятый, основной аккреции, хорошо работает с формированием планет земной группы, но имеет проблемы с планетами-гигантами, такими как Уран. Второй, метод дисковой неустойчивости, может объяснить создание планет-гигантов.
«Что отличает ледяных гигантов от газовых гигантов, так это история их формирования: во время роста керна первый никогда не превышал [критическую массу] в полном газовом диске», - писали исследователи Рената Фрелих и Рут Мюррей-Клей в исследовательской работе.
Основная модель аккреции
Приблизительно 4,6 миллиарда лет назад солнечная система представляла собой облако пыли и газа, известное как солнечная туманность. Гравитация разрушила материал на себя, когда он начал вращаться, образуя солнце в центре туманности.
С восходом солнца оставшийся материал начал собираться вместе. Мелкие частицы соединяются, связанные силой тяжести, в более крупные частицы. Солнечный ветер сместил более легкие элементы, такие как водород и гелий, из более близких областей, оставив только тяжелые каменистые материалы для создания земных миров. Но подальше солнечные ветры оказали меньшее влияние на более легкие элементы, что позволило им объединиться в газовых гигантов, таких как Уран. Таким образом были созданы астероиды, кометы, планеты и луны.
В отличие от большинства газовых гигантов, у Урана ядро скорее каменное, чем газообразное. Скорее всего, сначала образовалось ядро, а затем собрали водород, гелий и метан, которые составляют атмосферу планеты. Тепло от ядра влияет на температуру и погоду Урана, подавляя тепло, исходящее от далекого солнца, которое находится на расстоянии почти 2 миллиардов миль.
Некоторые наблюдения экзопланеты, кажется, подтверждают аккрецию ядра как доминирующий процесс формирования. Звезды с большим количеством «металлов» - термин, который астрономы используют для элементов, отличных от водорода и гелия, - в их ядрах больше планет-гигантов, чем их кузенов с низким содержанием металлов. По данным НАСА, основной рост позволяет предположить, что маленькие каменистые миры должны встречаться чаще, чем более массивные газовые гиганты.
Открытие в 2005 году гигантской планеты с массивным ядром, вращающимся вокруг солнечной звезды HD 149026, является примером экзопланеты, которая помогла усилить аргументы в пользу наращивания ядра.
«Это подтверждение основной теории аккреции для формирования планет и свидетельство того, что планеты такого рода должны существовать в изобилии», - сказал Грег Генри в пресс-релизе. Генри, астроном из Университета штата Теннесси, Нэшвилл, обнаружил затемнение звезды.
В 2017 году Европейское космическое агентство планирует запустить характеристический спутник ExOPlanet (CHEOPS), который будет изучать экзопланеты различных размеров от супер-Земли до Нептуна. Изучение этих далеких миров может помочь определить, как образовались планеты в Солнечной системе.
«В сценарии с основной аккрецией ядро планеты должно достичь критической массы, прежде чем она сможет набирать газ убегающим способом», - сказала команда CHEOPS. «Эта критическая масса зависит от многих физических переменных, среди которых наиболее важной является скорость аккреции планетезималей».
Изучая, как растущие планеты аккрецируют материал, CHEOPS обеспечит понимание того, как растут миры.
Модель нестабильности диска
Но необходимость быстрого формирования гигантских газовых планет является одной из проблем аккреции ядра. Согласно моделям, этот процесс занимает несколько миллионов лет, дольше, чем легкие газы были доступны в ранней солнечной системе. В то же время, основная модель аккреции сталкивается с проблемой миграции, так как планеты-дети, вероятно, закроются в Солнце за короткое время.
«Гигантские планеты формируются очень быстро, через несколько миллионов лет», - сказал Space.com Кевин Уолш, исследователь из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. «Это создает ограничение по времени, потому что газовый диск вокруг Солнца длится всего 4-5 миллионов лет».
Согласно относительно новой теории, нестабильность диска, скопления пыли и газа связаны друг с другом в начале жизни Солнечной системы. Со временем эти скопления медленно уплотняются в гигантскую планету. Эти планеты могут образовываться быстрее, чем их основные аккреционные конкуренты, иногда всего за тысячу лет, что позволяет им улавливать быстро исчезающие более легкие газы. Они также быстро достигают стабилизирующей орбиту массы, которая удерживает их от смертельного марша на солнце.
По мере того, как ученые продолжают изучать планеты внутри Солнечной системы, а также вокруг других звезд, они будут лучше понимать, как образовался Уран и его братья и сестры.
Галька аккреция
Самая большая проблема для наращивания активной зоны - это время - достаточно крупные массивные газовые гиганты, чтобы захватить более легкие компоненты их атмосферы. Недавние исследования о том, как мелкие объекты размером с гальку слились вместе, создавая планеты-гиганты в 1000 раз быстрее, чем в предыдущих исследованиях.
«Это первая модель, о которой мы знаем, что вы начинаете с довольно простой структуры для солнечной туманности, из которой формируются планеты, и заканчиваете системой гигантских планет, которую мы видим», - говорит ведущий автор исследования Гарольд Левисон, астроном Об этом сообщил Space.com в 2015 году в Юго-Западном исследовательском институте (SwRI) в Колорадо.
В 2012 году исследователи Michiel Lambrechts и Anders Johansen из Лундского университета в Швеции предложили, чтобы крошечные камешки, когда-то списанные, содержали ключ к быстрому созданию планет-гигантов.
«Они показали, что оставшиеся камешки в этом процессе формирования, которые ранее считались несущественными, на самом деле могут стать огромным решением проблемы формирования планет», - сказал Левисон.
Левисон и его команда разработали это исследование, чтобы точнее смоделировать, как крошечные камешки могут образовывать планеты, видимые сегодня в галактике. В то время как предыдущие моделирования, как крупные, так и средние объекты потребляли своих кузенов размером с гальку с относительно постоянной скоростью, моделирование Левисона предполагает, что более крупные объекты действовали больше как хулиганы, отрывая камешки от средних размеров, чтобы расти гораздо быстрее ставка.
«Более крупные объекты теперь имеют тенденцию рассеивать более мелкие, чем более мелкие рассеивают их обратно, поэтому более мелкие объекты в конечном итоге оказываются рассеянными из гальки», - сказала Space.com соавтор исследования Кэтрин Кретке, также из SwRI. , «Большой парень в основном запугивает меньшего, чтобы они могли съесть всю гальку самостоятельно, и они могут продолжать расти, формируя ядра гигантских планет».
Накопление гальки, скорее всего, сработает для планет-гигантов, а не для земных миров. По словам Шона Рэймонда из французского университета Бордо, это потому, что «галька» немного крупнее и ее намного легче удерживать за границей снега, воображаемой линией, где газ достаточно холоден, чтобы стать льдом.
«Что касается камешков, определенно немного лучше оказаться за снежной линией», - сказал Реймонд Space.com.
Хотя наращивание гальки хорошо работает для газовых гигантов, у ледяных гигантов есть некоторые проблемы. Это потому, что частицы размером от миллиметра до сантиметра аккрецируют чрезвычайно эффективно.
«Они накапливаются так быстро, что ядрам ледяного гиганта трудно существовать при их нынешней массе ядра в течение значительной доли срока службы диска при аккреции газовой оболочки», - писали Фрелих и Мюррей-Клэй.
«Чтобы избежать побега, они должны завершить свой рост в определенное время, когда газовый диск частично, но не полностью, истощен».
Пара предположила, что большая часть скопления газа на ядрах Урана и Нептуна совпадает с их удалением от Солнца. Но что может заставить их изменить свой дом в Солнечной системе?
Хорошая модель
Первоначально ученые думали, что планеты образовались в той же части Солнечной системы, в которой они живут сегодня. Открытие экзопланет всколыхнуло, открыв, что, по крайней мере, некоторые из самых массивных объектов могут мигрировать.
В 2005 году трио статей, опубликованных в журнале Nature, предположили, что Уран и другие планеты-гиганты были связаны на почти круговых орбитах, гораздо более компактных, чем сегодня. Большой диск из камней и льдов окружил их, простираясь примерно в 35 раз от расстояния Земля-Солнце, чуть выше нынешней орбиты Нептуна. Они назвали это Ниццкой моделью, после города во Франции, где они впервые обсуждали это. (Это произносится Neese.)
Поскольку планеты взаимодействовали с меньшими телами, они рассеивали большинство из них к солнцу. Процесс заставил их обменять энергию с объектами, послав Сатурн, Нептун и Уран дальше в Солнечную систему. В конце концов, небольшие объекты достигли Юпитера, и они полетели к краю солнечной системы или полностью покинули ее.
Движение между Юпитером и Сатурном привело Урана и Нептуна к еще более эксцентричным орбитам, посылая пару через оставшийся диск льдов. Часть материала была отброшена внутрь, где он врезался в земные планеты во время поздней тяжелой бомбардировки. Другие материалы были выброшены наружу, создав пояс Койпера.
Когда они медленно двигались наружу, Нептун и Уран поменялись местами. В конечном счете, взаимодействия с оставшимися обломками заставили пару осесть в более круглые пути, когда они достигли своего текущего расстояния от солнца.
Попутно, возможно, что одна или даже две другие планеты-гиганты были выброшены из системы. Астроном Дэвид Несворный из Юго-западного исследовательского института в Колорадо смоделировал раннюю солнечную систему в поисках подсказок, которые могли бы привести к пониманию ее ранней истории.
«В первые дни солнечная система сильно отличалась: множество других планет, возможно, таких больших, как Нептун, формировались и рассеивались в разных местах», - сказал Несворный Space.com.
Опасный юноша
Ранняя солнечная система была временем сильных столкновений, и Уран не был освобожден. В то время как на поверхности Луны и Меркурия имеются признаки бомбардировки более мелкими камнями и астероидами, Уран, очевидно, претерпел значительное столкновение с протопланетой размером с Землю. В результате Уран переворачивается на бок, причем один полюс указывает на солнце в течение полугода.
Уран является крупнейшим из ледяных гигантов, возможно, отчасти потому, что он потерял часть своей массы во время удара.
