Войти
Гипотеза туманности - это наиболее широко принятая модель в области космогонии для объяснения образования и эволюции Солнечной системы (а также других планетных систем ). Это предполагает, что Солнечная система образовалась из газа и пыли, вращающихся вокруг Солнца. Теория была разработана Иммануилом Кантом и опубликована в его Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels («Универсальная естественная история и теория небес»), опубликованном в 1755 году, а затем измененном в 1796 году. Автор Пьер Лаплас. Первоначально применяемый к Солнечной системе, теперь считается, что процесс формирования планетной системы происходит во всей вселенной. Широко распространенный современный вариант теории туманностей - это модель небулярного диска Солнца (SNDM ) или модель небулярного Солнца . Он предложил объяснения множества свойств Солнечной системы, включая почти круговые и компланарные орбиты планет, а также их движение в том же направлении, что и вращение Солнца. Некоторые элементы первоначальной теории туманностей нашли отражение в современных теориях формирования планет, но большинство элементов было заменено.
Согласно теории туманностей, звезды образуются в массивных и плотных облаках из молекулярного водорода - гигантских молекулярных облаков (GMC). Эти облака гравитационно нестабильны, и материя сливается в них в более мелкие более плотные сгустки, которые затем вращаются, коллапсируют и образуют звезды. Звездообразование - это сложный процесс, который всегда приводит к образованию газообразного протопланетного диска (proplyd ) вокруг молодой звезды. Это может привести к рождению планет при определенных обстоятельствах, которые малоизвестны. Таким образом, образование планетных систем считается естественным результатом звездообразования. Для образования звезды типа Солнца обычно требуется приблизительно 1 миллион лет, а протопланетный диск эволюционирует в планетную систему в течение следующих 10–100 миллионов лет.
Протопланетный диск - это аккреционный диск Что кормит центральную звезду. Сначала диск очень горячий, а затем остывает в так называемой стадии Т Тельца ; здесь возможно образование мелких пылинок из горных пород и льда. Зерна со временем могут коагулировать в планетезимали километрового размера. Если диск достаточно массивен, начинается неконтролируемая аккреция, приводящая к быстрому - от 100 000 до 300 000 лет - формированию планетных зародышей размером с Луну и на Марс. Рядом со звездой планетарные зародыши проходят стадию бурного слияния, в результате чего образуется несколько планет земной группы. Последний этап занимает от 100 миллионов до миллиарда лет.
Формирование планет-гигантов - более сложный процесс. Считается, что это происходит за линией мороза, где планетарные зародыши в основном состоят из различных типов льда. В результате они в несколько раз массивнее, чем во внутренней части протопланетного диска. Что происходит после формирования эмбриона, до конца не ясно. Некоторые эмбрионы продолжают расти и в конечном итоге достигают 5–10 земной массы - порогового значения, необходимого для начала аккреции газа водорода - гелия. с диска. Накопление газа ядром изначально является медленным процессом, который продолжается в течение нескольких миллионов лет, но после того, как формирующаяся протопланета достигает массы около 30 масс Земли (M⊕ ), она ускоряется и продолжается безудержно. Юпитер - и Сатурн -подобные планеты, как полагают, аккумулируют большую часть своей массы всего за 10 000 лет. При исчерпании газа аккреция прекращается. Образовавшиеся планеты могут перемещаться на большие расстояния во время или после своего образования. Ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун, считаются отказавшими ядрами, которые образовались слишком поздно, когда диск почти исчез.
Имеются свидетельства того, что Эмануэль Сведенборг впервые предложил части теории туманностей в 1734 году. Иммануил Кант, знакомый с работами Сведенборга, развил теорию в 1755 году., опубликовав свою собственную Универсальную естественную историю и теорию небес, в которой он утверждал, что газовые облака (туманности ) медленно вращаются, постепенно схлопываются и сглаживаются под действием гравитации, в конечном итоге формируя звезды и планеты.
Пьер-Симон Лаплас независимо разработал и предложил аналогичную модель в 1796 году в своей Exposition du systeme du monde. Он предположил, что Солнце изначально имело протяженную горячую атмосферу во всем объеме Солнечной системы. Его теория описывала сжимающееся и остывающее протосолнечное облако - протосолнечную туманность. По мере того, как он охлаждается и сжимается, он сплющивается и вращается более быстро, отбрасывая (или сбрасывая) серию газообразных колец материала; и, по его словам, планеты образовались из этого материала. Его модель была похожа на модель Канта, за исключением более подробной и меньшего масштаба. Хотя в XIX веке доминировала лапласианская модель туманности, она столкнулась с рядом трудностей. Основная проблема заключалась в распределении углового момента между Солнцем и планетами. У планет есть 99% углового момента, и этот факт нельзя объяснить с помощью модели туманности. В результате астрономы в значительной степени отказались от этой теории образования планет в начале 20 века.
Основная критика пришла в 19 веке от Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который утверждал, что различное вращение между внутренней и внешней частями кольца не может привести к конденсации материала.. Астроном сэр Дэвид Брюстер также отверг Лапласа, написав в 1876 году, что «те, кто верит в теорию туманностей, считают несомненным, что наша Земля получила твердое вещество и атмосферу из кольца, брошенного из атмосферы Солнца. затем сжался в твердую водную сферу, из которой таким же образом была отброшена Луна ". Он утверждал, что с такой точки зрения «Луна обязательно должна унести воду и воздух из водной и воздушной частей Земли и должна иметь атмосферу». Брюстер утверждал, что религиозные верования сэра Исаака Ньютона ранее считали небулярные идеи склонными к атеизму, и процитировал его слова о том, что «рост новых систем из старых без посредничества Божественной силы., казался ему явно абсурдным ».
Признанные недостатки лапласовской модели побудили ученых найти ей замену. В течение 20-го века многие теории рассматривали этот вопрос, в том числе теорию планетезималей Томаса Чемберлина и Фореста Моултона (1901), приливную модель Джеймса Джинса (1917).), модель аккреции Отто Шмидта (1944), теория протопланет Уильяма МакКри (1960) и, наконец, теория захвата Майкла Вулфсона. В 1978 году Эндрю Прентис возродил первоначальные лапласианские идеи о формировании планет и разработал современную лапласовскую теорию. Ни одна из этих попыток не оказалась полностью успешной, и многие из предложенных теорий были описательными.
Рождение современной общепринятой теории формирования планет - модели солнечного небулярного диска (SNDM) - можно проследить до советского астронома Виктора Сафронова. Его книга 1969 года «Эволюция протопланетного облака и формирование Земли и планет», которая была переведена на английский в 1972 году, оказала долгосрочное влияние на то, как ученые думают о формировании планет. В этой книге сформулированы почти все основные проблемы процесса планетарного образования и некоторые из них решены. Дальнейшее развитие идеи Сафронова получили в работах Джорджа Уэтерилла, открывшего неконтролируемую аккрецию. Первоначально применяемый только к Солнечной системе, теоретики впоследствии считали, что SNDM действует по всей Вселенной; по состоянию на 1 октября 2020 года астрономы обнаружили 4354 внесолнечной планеты в нашей галактике.
Пыльные диски, окружающие близлежащие молодые звезды в подробнее. Процесс звездообразования естественным образом приводит к появлению аккреционных дисков вокруг молодых звездных объектов. В возрасте около 1 миллиона лет такие диски могут быть у 100% звезд. Этот вывод подтверждается открытием газовых и пылевых дисков вокруг протозвезд и звезд Т Тельца, а также теоретическими соображениями. Наблюдения за этими дисками показывают, что частицы пыли внутри них увеличиваются в размерах в короткие (тысячелетние) масштабы времени, производя частицы размером 1 сантиметр.
Процесс аккреции, в результате которого 1 км планетезимали вырастают в тела размером 1000 км, теперь это хорошо понятно. Этот процесс развивается внутри любого диска, где плотность планетезималей достаточно высока, и протекает безудержно. Позже рост замедляется и продолжается по мере роста олигархов. Конечным результатом является формирование планетарных зародышей разных размеров, которые зависят от расстояния от звезды. Различные симуляции продемонстрировали, что слияние эмбрионов во внутренней части протопланетного диска приводит к образованию нескольких тел размером с Землю. Таким образом, происхождение планет земной группы теперь считается почти решенной проблемой.
Физика аккреционных дисков сталкивается с некоторыми проблемами. Самый важный из них - это то, как материал, аккрецируемый протозвездой, теряет свой угловой момент. Одно из возможных объяснений, предложенное Ханнесом Альфвеном, заключалось в том, что угловой момент передавался солнечным ветром во время его фазы Т Тельца. Импульс передается к внешним частям диска за счет вязких напряжений. Вязкость создается макроскопической турбулентностью, но точный механизм, который вызывает эту турбулентность, не совсем понятен. Другой возможный процесс потери углового момента - это магнитное торможение, когда вращение звезды передается в окружающий диск через магнитное поле этой звезды. Основными процессами, ответственными за исчезновение газа в дисках, являются вязкая диффузия и фотоиспарение.
Система множественных звезд AS 205. Образование планетезималей - самая большая нерешенная проблема в модели небулярного диска. Как частицы размером 1 см сливаются в планетезимали размером 1 км, остается загадкой. Этот механизм, по-видимому, является ключом к вопросу о том, почему у одних звезд есть планеты, в то время как у других нет ничего вокруг, даже пылевых поясов.
Шкала времени образования планет-гигантов также является важная проблема. Старые теории не могли объяснить, как их ядра могли формироваться достаточно быстро, чтобы накапливать значительное количество газа из быстро исчезающего протопланетного диска. Средний срок службы дисков, составляющий менее десяти миллионов (10) лет, оказался меньше времени, необходимого для формирования ядра. Для решения этой проблемы был достигнут большой прогресс, и современные модели образования гигантских планет теперь способны формировать Юпитер (или более массивные планеты) примерно за 4 миллиона лет или меньше, что значительно меньше среднего срока службы газовых дисков..
Еще одна потенциальная проблема образования гигантских планет - их орбитальная миграция. Некоторые расчеты показывают, что взаимодействие с диском может вызвать быструю внутреннюю миграцию, которая, если ее не остановить, приведет к тому, что планета достигнет «центральных областей, все еще как объект суб Юпитера ». Более поздние расчеты показывают, что эволюция диска во время миграции может смягчить эту проблему.
Виды видимого света (слева) и инфракрасного (справа) Трехраздельная туманность - гигантское звездообразующее облако из газа и пыли, расположенное на расстоянии 5400 световых лет в созвездии Стрельца. Считается, что звезды образуются внутри гигантских облаков холодного молекулярного водорода - гигантских молекулярных облаков примерно в 300000 раз больше массы Солнца (M☉ ) и 20 парсеков в диаметре. На протяжении миллионов лет гигантские молекулярные облака склонны схлопываться и фрагментироваться. Затем эти фрагменты образуют маленькие плотные ядра, которые, в свою очередь, превращаются в звезды. Ядра имеют массу от доли до нескольких раз больше массы Солнца и называются протозвездными (протосолнечными) туманностями. Они обладают диаметром 0,01–0,1 пк (2 000–20 000 а.е.) и плотностью числа частиц примерно от 10 000 до 100 000 см.
Первоначальный коллапс протозвездной туманности с массой Солнца занимает около 100000 лет. Каждая туманность начинается с определенного количества углового момента. Газ в центральной части туманности с относительно низким угловым моментом подвергается быстрому сжатию и образует горячее гидростатическое (не сжимающееся) ядро, содержащее небольшую часть массы исходной туманности. Это ядро формирует зерно того, что станет звездой. По мере продолжения коллапса сохранение углового момента означает, что вращение падающей оболочки ускоряется, что в значительной степени препятствует прямому аккреции газа на центральном ядре. Вместо этого газ вынужден распространяться наружу около своей экваториальной плоскости, образуя диск , который, в свою очередь, срастается с ядром. Ядро постепенно увеличивается в массе, пока не станет молодой горячей протозвездой. На этом этапе протозвезда и ее диск сильно закрыты падающей оболочкой и не наблюдаются напрямую. Фактически непрозрачность оставшейся оболочки настолько высока, что даже миллиметровое излучение имеет проблемы с выходом изнутри. Такие объекты наблюдаются как очень яркие сгущения, которые испускают в основном миллиметровое и субмиллиметровое излучение. Они классифицируются как протозвезды спектрального класса 0. Коллапс часто сопровождается биполярным истечением - струями, которые исходят вдоль оси вращения предполагаемого диска. Джеты часто наблюдаются в областях звездообразования (см. объекты Хербига – Аро (HH) ). Светимость протозвезд класса 0 высока - протозвезда с солнечной массой может излучать до 100 солнечных светимостей. Источником этой энергии является гравитационный коллапс, так как их ядра еще недостаточно горячие, чтобы начать ядерный синтез.
Инфракрасное изображение молекулярного истечения от иначе скрытой новорожденной звезды HH 46/47 По мере того, как его материал попадает на диск, оболочка в конечном итоге становится тонкой и прозрачной, и молодой звездный объект (YSO) становится видимым, первоначально в дальнем инфракрасном свете и позже в видимом. Примерно в это время протозвезда начинает плавить дейтерий. Если протозвезда достаточно массивна (более 80 масс Юпитера (MJ )), следует синтез водорода. В противном случае, если его масса слишком мала, объект становится коричневым карликом. Рождение новой звезды происходит примерно через 100 000 лет после начала коллапса. Объекты на этой стадии известны как протозвезды класса I, которые также называются молодыми T Тельцами, эволюционировавшими протозвездами или молодыми звездными объектами. К этому времени формирующаяся звезда уже набрала значительную часть своей массы: общая масса диска и оставшейся оболочки не превышает 10–20% от массы центральной YSO.
На следующем этапе оболочка полностью исчезает, будучи собранной диском, и протозвезда становится классической звездой Т Тельца. Это происходит примерно через 1 миллион лет. Масса диска вокруг классической звезды типа Т Тельца составляет около 1–3% от массы звезды, и он увеличивается со скоростью от 10 до 10 M☉в год. Также обычно присутствует пара биполярных форсунок. Аккреция объясняет все особые свойства классических звезд типа Т Тельца: сильный поток в эмиссионных линиях (до 100% собственной светимости звезды), магнитная активность, фотометрическая изменчивость и струи. Эмиссионные линии на самом деле образуются, когда аккрецированный газ ударяется о «поверхность» звезды, что происходит вокруг ее магнитных полюсов. Джеты - это побочные продукты аккреции: они уносят излишний угловой момент. Классическая стадия Т Тельца длится около 10 миллионов лет. Диск в конечном итоге исчезает из-за аккреции на центральную звезду, образования планет, выброса струями и фотоиспарения УФ-излучением центральной звезды и близлежащих звезд. В результате молодая звезда становится звездой Т Тельца со слабыми линиями, которая медленно, за сотни миллионов лет, превращается в обычную звезду, подобную Солнцу.
Диски обломков обнаружены на архивных изображениях HST молодых звезд, HD 141943 и HD 191089, с использованием улучшенных процессов построения изображений (24 апреля 2014 г.). При определенных обстоятельствах диск, который теперь может быть называется протопланетной, может дать начало планетной системе. Протопланетные диски наблюдались вокруг очень большой доли звезд в молодых звездных скоплениях. Они существуют с самого начала звездообразования, но на самых ранних стадиях не наблюдаются из-за непрозрачности окружающей оболочки. Диск протозвезды класса 0 считается массивным и горячим. Это аккреционный диск, питающий центральную протозвезду. Температура может легко превышать 400 К внутри 5 а.е. и 1000 К внутри 1 а.е. Нагрев диска в первую очередь вызван вязкой диссипацией турбулентности в нем и падением газа из туманности. Высокая температура во внутреннем диске вызывает испарение большей части летучих материалов - воды, органических веществ и некоторых горных пород, оставляя только наиболее огнеупорные элементы, такие как железо. Лед может выжить только во внешней части диска.
Протопланетный диск, формирующийся в туманности Ориона Основная проблема в физике аккреционных дисков - это генерация турбулентности и механизм, ответственный за высокая эффективная вязкость. Считается, что турбулентная вязкость ответственна за перенос массы к центральной протозвезде и импульс к периферии диска. Это жизненно важно для аккреции, потому что газ может аккрецироваться центральной протозвездой, только если она теряет большую часть своего углового момента, который должен уноситься небольшой частью газа, дрейфующей наружу. Результатом этого процесса является рост как протозвезды, так и диска радиуса, который может достигать 1000 а.е., если начальный угловой момент туманности достаточно велик. Большие диски обычно наблюдаются во многих областях звездообразования, таких как туманность Ориона.
Play media Художественное впечатление от диска и газовых потоков вокруг молодой звезды HD 142527.Продолжительность жизни аккреционным дискам около 10 миллионов лет. К тому времени, когда звезда достигает классической стадии Т-Тельца, диск становится тоньше и остывает. Менее летучие материалы начинают конденсироваться вблизи своего центра, образуя частицы пыли размером 0,1–1 мкм, которые содержат кристаллические силикаты. Перенос материала с внешнего диска может смешивать эти вновь образованные пылинки с первичными, которые содержат органическое вещество и другие летучие вещества. Это смешение может объяснить некоторые особенности в составе тел Солнечной системы, такие как наличие межзвездных зерен в примитивных метеоритах и тугоплавких включений в кометах.
Различные планеты процессы формирования, включая экзокометы и другие планетезимали, вокруг Beta Pictoris, очень молодой тип AV-звезды (НАСА концепция художника). Частицы пыли имеют тенденцию прилипать друг к другу в плотной среде диска, что приводит к образованию более крупных частиц размером до нескольких сантиметров. Признаки обработки пыли и коагуляции наблюдаются в инфракрасных спектрах молодых дисков. Дальнейшая агрегация может привести к образованию планетезималей размером 1 км или более, которые являются строительными блоками планет. Планетезимальное образование - еще одна нерешенная проблема физики дисков, так как простое прилипание становится неэффективным по мере роста частиц пыли.
Одна из гипотез - это образование из-за гравитационной нестабильности. Частицы размером несколько сантиметров и более медленно оседают около средней плоскости диска, образуя очень тонкий - менее 100 км - плотный слой. Этот слой гравитационно нестабилен и может распадаться на многочисленные сгустки, которые в свою очередь схлопываются в планетезимали. Однако разные скорости газового диска и твердых тел вблизи средней плоскости могут создавать турбулентность, которая не позволяет слою стать достаточно тонким для фрагментации из-за гравитационной нестабильности. Это может ограничить образование планетезималей из-за гравитационной нестабильности определенными участками диска, где концентрация твердых частиц повышена.
Другим возможным механизмом образования планетезималей является нестабильность потока, в которой сопротивление, испытываемое частицами, движущимися по орбите через газ, создает эффект обратной связи, вызывающий рост локальных концентраций. Эти локальные концентрации отталкивают газ, создавая область, где встречный ветер, ощущаемый частицами, меньше. Таким образом, концентрация может двигаться по орбите быстрее и подвергаться меньшему радиальному дрейфу. Изолированные частицы присоединяются к этим концентрациям по мере того, как они догоняют или дрейфуют внутрь, вызывая рост массы. В конце концов, эти концентрации образуют массивные волокна, которые фрагментируются и подвергаются гравитационному коллапсу, образуя планетезимали размером с более крупные астероиды.
Формирование планет также может быть вызвано гравитационной нестабильностью внутри самого диска, что приводит к его фрагментации на сгустки. Некоторые из них, если они достаточно плотные, коллапсируют, что может привести к быстрому формированию планет газовых гигантов и даже коричневых карликов в масштабе времени 1000. лет. Если эти сгустки мигрируют внутрь по мере продолжения коллапса, приливные силы от звезды могут привести к значительной потере массы, оставив позади меньшее тело. Однако это возможно только в массивных дисках - более массивных, чем 0,3 M☉. Для сравнения, типичные массы диска составляют 0,01–0,03 M☉. Поскольку массивные диски встречаются редко, этот механизм формирования планет считается нечастым. С другой стороны, этот механизм может играть важную роль в формировании коричневых карликов.
столкновение с астероидами - построение планет (концепция художника). Конечная диссипация протопланетных дисков - это запускается рядом различных механизмов. Внутренняя часть диска либо аккрецируется звездой, либо выбрасывается биполярными струями , тогда как внешняя часть может испаряться под мощным UV излучением звезды во время Стадия Т Тельца или ближайшими звездами. Газ в центральной части может либо аккрецироваться, либо выбрасываться растущими планетами, в то время как мелкие частицы пыли выбрасываются радиационным давлением центральной звезды. В конце концов остается либо планетная система, либо остатки пылевого диска без планет, либо ничего, если планетезимали не смогли сформироваться.
Поскольку планетезимали так многочисленны и разбросаны по протопланетному диску, некоторые выживают при формировании планетной системы. Астероиды понимаются как оставшиеся планетезимали, постепенно измельчающие друг друга на все меньшие и меньшие части, в то время как кометы, как правило, являются планетезимали из дальних уголков планетной системы. Метеориты - это образцы планетезималей, которые достигают поверхности планеты и предоставляют много информации о формировании Солнечной системы. Метеориты примитивного типа представляют собой куски разрушенных маломассивных планетезималей, в которых не происходило термической дифференциации, тогда как метеориты обработанного типа представляют собой куски разбитых массивных планетезималей. Межзвездные объекты могли быть захвачены и стать частью молодой Солнечной системы.
Согласно модели диска солнечных туманностей, скалистые планеты образуются во внутренней части протопланетного диска, в пределах линии инея, где температура достаточно высока, чтобы предотвратить конденсацию водяного льда и других веществ в зерна. Это приводит к коагуляции чисто каменистых зерен, а затем к образованию каменистых планетезималей. Считается, что такие условия существуют во внутренней части диска солнечной звезды размером 3–4 а.е.
После того, как маленькие планетезимали - около 1 км в диаметре - так или иначе образовались, происходит неконтролируемая аккреция. начинается. Это называется убеганием, потому что скорость роста массы пропорциональна R ~ M, где R и M - радиус и масса растущего тела соответственно. Удельный (деленный на массу) рост ускоряется с увеличением массы. Это приводит к преимущественному росту более крупных тел за счет более мелких. Ускользающая аккреция длится от 10 000 до 100 000 лет и заканчивается, когда самые большие тела превышают примерно 1000 км в диаметре. Замедление аккреции вызвано гравитационными возмущениями крупных тел на остальных планетезималях. Кроме того, влияние более крупных тел останавливает дальнейший рост более мелких тел.
Следующая стадия называется олигархической аккрецией. Для него характерно доминирование нескольких сотен крупнейших тел - олигархов, которые продолжают медленно срастаться планетезималей. Ни одно тело, кроме олигархов, не может расти. На этой стадии скорость прироста пропорциональна R, которая выводится из геометрического поперечного сечения олигарха. Удельная скорость аккреции пропорциональна M; и она уменьшается с массой тела. Это позволяет более мелким олигархам догнать более крупных. Олигархи находятся на расстоянии примерно 10 · H r(Hr= a (1-e) (M / 3M s) - радиус Хилла, где a - большая полуось, e - эксцентриситет орбиты, а M s - масса центральной звезды) друг от друга за счет влияния остальных планетезималей. Их эксцентриситет и наклон орбиты остаются небольшими. Олигархи продолжают срастаться до тех пор, пока планетезимали не исчерпываются в диске вокруг них. Иногда сливаются соседние олигархи. Конечная масса олигарха зависит от расстояния до звезды и поверхностной плотности планетезималей и называется изолированной массой. Для каменистых планет это до 0,1 M⊕, или одна масса Марса. Конечным результатом олигархической стадии является формирование примерно 100 Луны - планетарных зародышей размером с Марс, равномерно расположенных на расстоянии примерно 10 · H r. Считается, что они находятся внутри промежутков в диске и разделены кольцами оставшихся планетезималей. Считается, что эта стадия длится несколько сотен тысяч лет.
Последняя стадия формирования скалистой планеты - стадия слияния. Он начинается, когда остается лишь небольшое количество планетезималей и эмбрионы становятся достаточно массивными, чтобы возмущать друг друга, что приводит к тому, что их орбиты становятся хаотичными. На этой стадии эмбрионы вытесняют оставшиеся планетезимали и сталкиваются друг с другом. Результатом этого процесса, который длится от 10 до 100 миллионов лет, является формирование ограниченного числа тел размером с Землю. Моделирование показывает, что количество выживших планет составляет в среднем от 2 до 5. В Солнечной системе они могут быть представлены Землей и Венерой. Для образования обеих планет потребовалось слияние примерно 10–20 зародышей, при этом равное количество их было выброшено за пределы Солнечной системы. Считается, что некоторые из эмбрионов, которые возникли в поясе астероидов, принесли воду на Землю. Марс и Меркурий можно рассматривать как оставшиеся эмбрионы, пережившие это соперничество. Скалистые планеты, которым удалось слиться, в конечном итоге переходят на более или менее стабильные орбиты, что объясняет, почему планетные системы обычно заполнены до предела; или, другими словами, почему они всегда кажутся на грани нестабильности.
Пылевой диск вокруг Фомальгаута - самой яркой звезды в созвездии Рыб. Асимметрия диска может быть вызвана планетой-гигантом (или планетами), вращающейся вокруг звезды. Образование планет-гигантов является нерешенной проблемой в планетологии. В рамках модели солнечной туманности существуют две теории их образования. Первая - это модель дисковой нестабильности, в которой планеты-гиганты образуются в массивных протопланетных дисках в результате его гравитационной фрагментации (см. Выше). Вторая возможность - это модель аккреции ядра, также известная как модель ядерной неустойчивости. Последний сценарий считается наиболее многообещающим, поскольку он может объяснить образование планет-гигантов в дисках с относительно малой массой (менее 0,1 M☉). В этой модели формирование планеты-гиганта разделено на две стадии: а) аккреция ядра размером примерно 10 M⊕и б) аккреция газа от протопланетного диска. Любой метод может также привести к созданию коричневых карликов. Исследования 2011 года показали, что аккреция ядра, вероятно, является доминирующим механизмом формирования.
Считается, что формирование ядра гигантской планеты происходит примерно по линиям формирования планет земной группы. Он начинается с планетезималей, которые стремительно растут, а затем следует более медленная олигархическая стадия. Гипотезы не предсказывают стадию слияния из-за низкой вероятности столкновения планетарных зародышей во внешней части планетных систем. Дополнительным отличием является состав планетезималей, которые в случае планет-гигантов образуются за так называемой линией инея и состоят в основном из льда - соотношение льда и породы составляет примерно 4 к 1. Это увеличивает массу планетезималей в четыре раза. Однако туманность с минимальной массой, способная к образованию планет земной группы, может сформировать только 1-2 ядра M⊕на расстоянии от Юпитера (5 а.е.) в течение 10 миллионов лет. Последнее число представляет собой среднее время жизни газовых дисков вокруг звезд типа Солнца. Предлагаемые решения включают увеличение массы диска - достаточно десятикратного увеличения; миграция протопланет, которая позволяет эмбриону наращивать больше планетезималей; и, наконец, усиление аккреции за счет сопротивления газа в газовых оболочках эмбрионов. Некоторая комбинация вышеупомянутых идей может объяснить образование ядер планет газовых гигантов, таких как Юпитер и, возможно, даже Сатурн. Формирование планет, таких как Уран и Нептун, более проблематично, поскольку никакая теория не способна обеспечить формирование их ядер in situ на расстоянии 20–30 а.е. от центральная звезда. Одна из гипотез состоит в том, что сначала они аккрецировались в области Юпитер-Сатурн, затем были рассеяны и мигрировали в свое нынешнее местоположение. Другое возможное решение - рост ядер планет-гигантов посредством аккреции гальки. При образовании гальки объекты диаметром от см до метра, падающие на массивное тело, достаточно замедляются из-за сопротивления газа, чтобы они спирали к нему и аккрецировались. Рост за счет аккреции гальки может быть в 1000 раз быстрее, чем за счет аккреции планетезималей.
Когда ядра достигают достаточной массы (5–10 M⊕), они начинают собирать газ из окружающего диска. Первоначально это медленный процесс, увеличивающий массу ядра до 30 M⊕за несколько миллионов лет. После этого скорость аккреции резко возрастает, и оставшиеся 90% массы накапливаются примерно за 10 000 лет. Нарастание газа прекращается, когда заканчивается запас с диска. Это происходит постепенно из-за образования разрыва плотности в протопланетном диске и рассеивания диска. В этой модели ледяные гиганты - Уран и Нептун - представляют собой разрушенные ядра, которые начали аккрецию газа слишком поздно, когда почти весь газ уже исчез. Стадия после аккреции убегающего газа характеризуется миграцией вновь образовавшихся планет-гигантов и продолжающейся медленной аккрецией газа. Миграция вызвана взаимодействием планеты, находящейся в промежутке, с оставшимся диском. Он останавливается, когда протопланетный диск исчезает или когда достигается конец диска. Последний случай соответствует так называемым горячим юпитерам, которые, вероятно, остановили свою миграцию, когда достигли внутренней дыры в протопланетном диске.
В концепции этого художника, планета вращается через очищение (разрыв) в пыльном, формирующем планету диске соседней звезды. Гигантские планеты могут существенно влиять на формирование планет земной группы. Присутствие гигантов имеет тенденцию к увеличению эксцентриситетов и наклонов (см. механизм Козаи ) планетезималей и эмбрионов в районе планет земной группы (внутри 4 а.е. в Солнечной системе.). Если планеты-гиганты образуются слишком рано, они могут замедлить или предотвратить аккрецию внутренних планет. Если они сформируются ближе к концу олигархической стадии, как считается, что произошло в Солнечной системе, они будут влиять на слияние планетарных эмбрионов, делая их более жестокими. В результате количество планет земной группы уменьшится, и они станут более массивными. Кроме того, размеры системы уменьшатся, потому что планеты земной группы будут формироваться ближе к центральной звезде. Влияние планет-гигантов в Солнечной системе, особенно Юпитера, считается ограниченным, поскольку они относительно удалены от планет земной группы.
Область соседней планетной системы на планеты-гиганты будут влиять по-другому. В такой области эксцентриситет эмбрионов может стать настолько большим, что эмбрионы проходят близко к планете-гиганту, что может привести к их выбросу из системы. Если удалить все зародыши, в этом регионе не будет образовываться никаких планет. Дополнительным последствием является то, что останется огромное количество маленьких планетезималей, потому что планеты-гиганты неспособны очистить их все без помощи эмбрионов. Общая масса оставшихся планетезималей будет небольшой, потому что кумулятивное действие эмбрионов до их выброса и планеты-гиганты все еще достаточно сильны, чтобы удалить 99% малых тел. Такая область в конечном итоге превратится в пояс астероидов, который является полным аналогом пояса астероидов в Солнечной системе, расположенного на расстоянии от 2 до 4 а.е. от Солнца.
За последние двадцать лет были идентифицированы тысячи экзопланет. Орбиты многих из этих планет и систем планет значительно отличаются от планет Солнечной системы. Обнаруженные экзопланеты включают горячие юпитеры, теплые юпитеры, суперземли и системы плотно упакованных внутренних планет.
Считается, что горячие и теплые юпитеры мигрировали на свои текущие орбиты во время или после своего формирования. Был предложен ряд возможных механизмов этой миграции. Миграция типа I или типа II может плавно уменьшить большую полуось орбиты планеты, что приведет к появлению теплого или горячего Юпитера. Гравитационное рассеяние другими планетами на эксцентрических орбитах с перигелием около звезды с последующей циркуляризацией ее орбиты из-за приливных взаимодействий со звездой может оставить планету на близкой орбите. Если присутствовала массивная планета-компаньон или звезда на наклонной орбите, то обмен наклона на эксцентриситет через механизм Козая, повышающий эксцентриситет и понижающий перигелий с последующей циркуляризацией, также может привести к закрытию орбиты. Многие из планет размером с Юпитер имеют эксцентрические орбиты, что может указывать на гравитационные столкновения между планетами, хотя миграция в резонансе также может вызывать эксцентриситет. Также был предложен рост горячих юпитеров на орбите близких по орбите суперземлей. Ядра в этой гипотезе могли сформироваться локально или на большем расстоянии и мигрировать близко к звезде.
Считается, что суперземли и другие близко вращающиеся планеты либо сформировались на месте, либо мигрировали внутрь со своих начальные местоположения. Формирование на месте близко вращающихся суперземель потребует массивного диска, миграции планетарных зародышей с последующими столкновениями и слияниями или радиального дрейфа мелких твердых тел из более отдаленных частей диска. Миграция суперземель или эмбрионов, которые столкнулись, чтобы сформировать их, вероятно, была Типа I из-за их меньшей массы. Резонансные орбиты некоторых систем экзопланет указывают на то, что в этих системах произошла некоторая миграция, в то время как расстояние между орбитами во многих других системах, не находящихся в резонансе, указывает на то, что в этих системах, вероятно, возникла нестабильность после диссипации газового диска. Отсутствие суперземли и близких по орбите планет в Солнечной системе может быть связано с предыдущим формированием Юпитера, блокирующим их внутреннюю миграцию.
Количество газа, которое суперземля, образовавшаяся на месте, получает, может зависеть от когда планетарные зародыши слились из-за гигантских ударов, связанных с диссипацией газового диска. Если слияние происходит после того, как газовый диск рассеивается, могут образоваться планеты земной группы, если в переходном диске может образоваться суперземля с газовой оболочкой, содержащей несколько процентов ее массы. Если слияние произойдет слишком рано, может произойти неконтролируемая аккреция газа, что приведет к образованию газового гиганта. Слияния начинаются, когда динамическое трение из-за газового диска становится недостаточным для предотвращения столкновений - процесс, который начнется раньше в диске с более высокой металличностью. В качестве альтернативы нарастание газа может быть ограничено из-за того, что оболочки не находятся в гидростатическом равновесии, вместо этого газ может течь через оболочку, замедляя ее рост и задерживая начало накопления убегающего газа до тех пор, пока масса ядра не достигнет 15 масс Земли.
Использование термина «аккреционный диск » для протопланетного диска приводит к путанице в отношении процесса планетарной аккреции. Протопланетный диск иногда называют аккреционным диском, потому что, пока молодая Т Тельца -подобная протозвезда все еще сжимается, газообразный материал все еще может падать на нее, аккрецируя на ее поверхности с внутреннего края диска. В аккреционном диске есть чистый поток массы от больших радиусов к меньшим.
Однако это значение не следует путать с процессом аккреции, формирующим планеты. В этом контексте аккреция относится к процессу охлажденных, затвердевших частиц пыли и льда, вращающихся вокруг протозвезды в протопланетном диске, сталкиваясь, слипаясь вместе и постепенно увеличиваясь, вплоть до столкновений с высокой энергией между значительные планетезимали.
Кроме того, планеты-гиганты, вероятно, имели собственные аккреционные диски в первом значении этого слова. Облака захваченного водорода и газообразного гелия сжимались, раскручивались, сплющивались и осаждали газ на поверхности каждой гигантской протопланеты, в то время как твердые тела внутри этого диска аккрецировались в обычные луны гигантской планеты.
