Новая теория о том, как образуются планеты, обретает убежища стабильности в условиях бурной турбулентности в закрученном газе, окружающем молодую звезду. На этих охраняемых территориях планеты могут начать формироваться без разрушения. Теория будет опубликована в февральском номере журнала Icarus.
«Это еще один способ начать планету. Она объединяет две основные теории формирования планет », - сказал Ричард Дурисен, профессор астрономии и заведующий кафедрой в Университете Индианы в Блумингтоне. Durisen является лидером в использовании компьютеров для моделирования формирования планет.
Наблюдая за тем, как его симуляции запускаются на мониторе компьютера, легко представить, что вы смотрите вниз с точки зрения межзвездного пространства и наблюдаете за происходящим.
Зеленый диск газа кружится вокруг центральной звезды. В конце концов спиральные рукава желтого цвета начинают появляться внутри диска, указывая области, где газ становится более плотным. Затем появляются несколько красных пятен, сначала только намеки, но затем постепенно более устойчивые. Эти красные области еще плотнее, показывая, где накапливаются массы газа, которые впоследствии могут стать планетами.
Турбулентные газы и вихревые диски представляют собой математические конструкции с использованием гидродинамики и компьютерной графики. Монитор компьютера отображает результаты расчетов ученых в виде красочной анимации.
«Это диски газа и пыли, которые астрономы видят вокруг большинства молодых звезд, из которых формируются планеты», - объяснил Дурисен. «Они как гигантский водоворот, вращающийся вокруг звезды на орбите. Наша собственная солнечная система образовалась из такого диска ».
Ученым теперь известно о более чем 130 планетах вокруг других звезд, и почти все они по крайней мере столь же массивны, как Юпитер. «Планеты газовых гигантов встречаются чаще, чем мы могли предположить даже 10 лет назад», - сказал он. «Природа довольно хороша в создании этих планет».
По словам Дурисена, ключом к пониманию того, как создаются планеты, является явление, называемое гравитационной нестабильностью. Ученые долго думали, что, если газовые диски вокруг звезд достаточно массивны и достаточно холодны, эти неустойчивости случаются, позволяя гравитации диска подавлять давление газа и заставлять части диска стягиваться и образовывать плотные комки, которые могут стать планетами.
Однако гравитационно неустойчивый диск является насильственной средой. Взаимодействие с другим дисковым материалом и другими скоплениями может отбросить потенциальную планету в центральную звезду или полностью разорвать ее. Если планеты должны формироваться на нестабильном диске, им нужна более защищенная среда, и Дурисен считает, что он ее нашел.
По мере его моделирования, газовые кольца образуются в диске на краю нестабильной области и становятся более плотными. Если твердые частицы, накапливающиеся в кольце, быстро мигрируют к середине кольца, ядро планеты может образоваться гораздо быстрее.
Фактор времени важен. Основной проблемой, с которой сталкиваются Дурисен и другие теоретики, является недавнее открытие астрономами, что гигантские газовые планеты, такие как Юпитер, формируются довольно быстро по астрономическим стандартам. Они должны - иначе необходимый им газ исчезнет.
«Астрономы теперь знают, что массивные газовые диски вокруг молодых звезд, как правило, исчезают в течение нескольких миллионов лет», - сказал Дурисен. «Так что это шанс создать богатые газом планеты. Юпитер и Сатурн, а также планеты, которые распространены вокруг других звезд, являются газовыми гигантами, и эти планеты должны быть созданы во время этого окна в несколько миллионов лет, когда вокруг еще есть значительное количество газового диска ».
Эта потребность в скорости вызывает проблемы у любой теории с неторопливым подходом к формированию планет, такой как теория наращивания ядра, которая до недавнего времени была стандартной моделью.
«В основной теории аккреции формирование планет газовых гигантов начинается с процесса, подобного способу накопления планет, таких как Земля», - пояснил Дурисен. «Твердые объекты ударяются друг о друга, слипаются и увеличиваются в размерах. Если твердый объект вырастает примерно в 10 раз больше массы Земли, и вокруг него также есть газ, он становится достаточно массивным, чтобы притягиваться к большому количеству газа под действием силы тяжести. Как только это произойдет, вы получите быстрый рост планеты газового гиганта ».
Проблема в том, что для формирования прочного ядра требуется много времени - от 10 до 100 миллионов лет. Теория может работать для Юпитера и Сатурна, но не для десятков планет вокруг других звезд. Многие из этих других планет имеют в несколько раз большую массу Юпитера, и очень трудно создать такие огромные планеты путем наращивания ядра.
Теория о том, что сами по себе гравитационные неустойчивости могут образовывать планеты-гиганты газа, была впервые предложена более 50 лет назад. Это было недавно восстановлено из-за проблем с основной теорией наращивания. Идея о том, что огромные массы газа внезапно разрушаются под действием силы тяжести, образуя плотный объект, возможно, на нескольких орбитах, определенно соответствует доступному временному интервалу, но у него есть некоторые собственные проблемы.
Согласно теории гравитационной неустойчивости спиральные рукава образуются в газовом диске и затем распадаются на комки, которые находятся на разных орбитах. Эти скопления выживают и увеличиваются до тех пор, пока вокруг них не сформируются планеты. Дурисен видит эти сгустки в своих симуляциях - но они не длятся долго.
«Сгустки летают вокруг, срезаются, переформируются и разрушаются снова и снова», - сказал он. «Если гравитационные неустойчивости достаточно сильны, спиральный рычаг распадется на комки. Вопрос в том, что с ними происходит?
Соавторами статьи являются аспирант IU Кай Кай и двое из бывших студентов Дурисена: Энни К. Мехия, аспирант кафедры астрономии Вашингтонского университета; и Меган К. Пикетт, доцент кафедры физики и астрономии Университета Пердью в Калумете.
Первоисточник: Выпуск новостей Университета Индианы
