Powstawy planet: Od ziarna pyłu do skalistego świata

Rozpoczęcie: dysk gazu i pyłu

Gwiazda powstaje z kolapsującej chmury gazu i pyłu, a zachowanie momentu pędu przez mechanizm zachowuje kształt pozostałego materiału, który nie wpadł do gwiazdy, w obracający się dysk zarodowieczny – składający się z około 99% gazu wodoru i helu oraz 1% pyłu w postaci ziśków skalnych, metalowych i lodu. Budowa planety z tego dysku to problem skali: zaczyna się od ziśków o wielkości mikrometrów i kończy na ciałach o średnicy kilku tysięcy kilometrów – różniących się o 12 rzędów wielkości, a fizyka rządząca wzrostem całkowicie zmienia się w trakcie.

Pierwszy etap: zlepianie, od ziarn - do kamieni

Na skali mikrometrycznej do centymetrów, ziarna rosną dzięki prostym zderzeniom i zlepianiu się za pomocą sił elektrostatycznych i van der Waalsa, podobnie jak formują się kłębki kurzu pod łóżkiem. Ten etap jest stosunkowo szybki i dobrze rozumiany, ale natrafia na poważny problem, gdy ziarna osiągną przybliżone rozmiary metra.

Metrowy barier przepływu

Gazy w dysku obiegają nieco wolniej niż stałe ziarna, ponieważ wspomagające ciśnienie częściowo zniwelowuje grawitację gwiazdy na gazu, ale nie na ciałach stałych. Ta względna przeciwność oporu spowalnia ruch ciał o metrowym rozmiarze tak bardzo, że wypiera energię orbitalną i spiralują one w kierunku gwiazdy w ciągu kil stu cykli – szybciej niż kolizje mogą je wzmacniać do większych rozmiarów. Jest to nie rozwiązany „metrowy barier przepływu”, a głównym rozwiązaniem jest niestabilność strumieniowa: kamienie skupiają się w gęste bryły pod wpływem aerodynamicznego sprzężenia z gazem, a gdy bryła staje się wystarczająco gęsta, jej własna grawitacja przejmuje kontrolę i powoduje bezpośrednie zapadnięcie się w planetesymalny obiekt o skali kilometrowej, pomijając niebezpieczny zakres rozmiarów niemal całkowicie.

Niekontrolowany i oligarchiczny wzrost

Po pojawieniu się planetesymów grawitacja sama napędza wzrost, a robi to nierównomiernie. Korpus nieco większy ma proporcjonalnie większego zasięgu grawitacyjnego (jego "zbieżność grawitacyjna" rośnie szybciej niż jego fizyczny rozmiar), więc pochłania materiał sąsiednich ciał szybciej niż mniejsze ciała w pobliżu – pozytywna informacja zwrotna o zjawisku nękanego wzrostu, która może przekształcić niewielką przewagę na tysiąciokrotną korzyść masy w krótkim czasie.

Zbieżność grawitacyjna ≈ 1 + (v_ucieczkowy / v_względny)² v_ucieczkowy = prędkość ucieczki rozwijającego się ciała (zależy od masy) v_względny = względna prędkość pobliskich pozostałości Wraz ze wzrostem ciała, v_ucieczkowy rośnie, zbieżność wzrasta, a wzrost przyspiesza — aż ciało osiągnie masę wystarczającą do zaburzania (v_względny) swoich sąsiadów, co ogranicza nękanie do "oligarchicznego" wzrostu. Nękanie wzrostu nie może trwać w nieskończoność: gdy ciało rośnie, grawitacyjnie miesza orbity pobliskich planetesymów, podnosząc ich względną prędkość i zmniejszając zbieżność, która napędlała nękanie – ten samonapędzający się proces przejścia jest oligarchicznym wzrostem – pojawiają się kilka podobnych wielkości "embrionów planetarnych", w przybliżeniu o rozmiarze od Księżyca do Marsa, rozmieszczonych na dysku, każdy z nich oczyścił i przejął kontrolę nad własnym lokalnym obszarem żywienia, rosnąc równolegle, a nie jeden nękający zwycięzca zabiera wszystko.

gravitational focusing factor ≈ 1 + (v_esc / v_rel)²

  v_esc = escape velocity of the growing body (grows with mass)
  v_rel = relative velocity of nearby debris

as a body grows, v_esc rises, focusing rises, growth accelerates
— until the body is massive enough to stir up (v_rel) of its
neighbours, which throttles the runaway into "oligarchic" growth

Ostateczny etap: chaotyczny wpływ i granica lodu

Końcowym etapem jest proces chaotyczny i napędzany grawitacją: orbity zarodkowych planet przecinają się, a planety zderzają się bezpośrednio w gigantycznych kolizjach, które składają ostateczne planety masy ziemskiej ponad dziesięć milionów lat temu – nasza własna Księżyc powszechnie uważana jest za powstałą z odłamków wyrzuconych podczas jednej takiej kolizji między protoplastą Ziemi a ciałem wielkości Marsa, zwanym Theia. W tym czasie, położenie w dysku decydowało, które planety stały się skałowe, a które gigantami: poza granicą lodu, gdzie dysk był wystarczająco zimny, aby zamrozić wodę, amoniak i metan, dostępna była znacznie większa ilość materiału stałego, co pozwalało na szybkie wzrost rdzeni powyżej około 10 mas ziemskich, zanim mogły przechwytywać ogromne obłoki helu i wodoru, tworząc Jowisza i Saturna. Wewnątrz granicy lodu kondensowały się tylko skały i metal, ograniczając wzrost rdzeni do rozmiarów zbyt małych, aby wywołać ten gwałtowny wzrost przechwytywania gazów, dlatego Ziemia, Wenus, Mars i Merkury pozostały małe i skalne.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Planetary Formation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.