Планетарна Формація: Від Пилової Частинки до Каменного Світу

Початковий матеріал: диск газу та пилу

Зірки утворюються з колапсуючого хмари газу та пилу, а збереження кутової моменти перетворює залишок матеріалу, який не впав у зірку, на обертовий протопланетний диск — приблизно 99% водню та гелію, 1% пилових частинок з каменів, металів і льоду. Формування планети з цього диска – це проблема масштабу: вона починається з мікроскопічних частинок і закінчується тілами тисяч кілометрів у діаметрі — всього на 12 порядків величини, а фізика, що домінує в рості, повністю змінюється протягом цього часу.

Перший етап: зчеплення, від зернят до каменів

На мікро- та сантиметровому рівні зерна ростуть за рахунок простих зіткнень, об’єднуючись через електростатичні та ван-дер-ваальсові сили, подібно до того, як утворюються пишнаки під ліжком. Цей етап відносно швидкий і добре вивчений, але стикається з серйозною проблемою, коли зерна досягають приблизно метрової величини.

Промінь розміру одного метра

Газ у диску обертається трохи повільніше, ніж тверді частинки, оскільки підтримка тиску частково компенсує гравітацію зірки для газу, але не для твердих речовин. Цей відносний «потік вітру» тягне за собою тіла розміром з метр так сильно, що вичавлює їхню орбітальну енергію та змушує їх увійти в зірку за кілька сотень обертів — швидше, ніж стикання може збільшити їх до цього розміру. Це нерозгаданий «бар’єр розміру одного метра», і найбільш ймовірне пояснення – стімовий нестабільність: камінці концентруються в щільні згустки завдяки аеродинамічній віддачі від газу, і коли згусток стає достатньо щільним, його власна гравітація перехоплює та безпосередньо стискає його до кілометрових планетарних частинок, практично повністю пропускаючи небезпечний розмірний діапазон.

Неконтрольований та олігоархічний ріст

Після утворення планетосфер, гравітація сама по собі стимулює їх зростання, і це відбувається нерівномірно. Трохи більший об’єкт має пропорційно більшу гравітаційну зону досяжності (його "гравітаційний фокус") та швидше акребує сусідні матеріали, ніж менші тіла поблизу – позитивний зворотний зв'язок, який називається неконтрольованим ростом і може перетворити скромну перевагу на тисячний розмах за короткий час.

Гравітаційний фокус: ≈ 1 + (v_esc / v_rel)² v_esc = швидкість уникнення зростаючого тіла (зростає з масою) v_rel = відносна швидкість сусіднього сміття коли тіло росте, v_esc збільшується, фокус також збільшується, зростання прискорюється — доки тіло не стане достатньо великим, щоб збурити (v_rel) своїх сусідів, що обмежує неконтрольований ріст у "олігоархічний" ріст Неконтрольоване зростання не може тривати вічно: коли тіло росте, воно гравітаційно збурює орбіти навколишніх планетосфер, підвищуючи їх відносну швидкість і зменшуючи перевагу фокусування, яка живила неконтрольоване зростання. Це самообмежувальний перехід – кілька схожих за розміром "планетних ембріонів", приблизно від Місяця до Марса, розташованих на відстані один від одного в диску, кожен з яких очистив і домігся панування у своєму власному місцевому зоні живлення, ростучи паралельно, а не один переможець-сильний, який забирає все.

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

Великі удари та лінія заморозки

Фінальна фаза є хаотичною та гравітаційною: орбіти ембріонів перетинаються і ембріони стикаються безпосередньо, у великих ударах, які збирають останні планети земної маси за десятки мільйонів років — власну місяць Землі вважають, що утворилася від уламків, викинутих одним таким зіткненням між прото-Землею та тілом розміром із Марс, яке було названо Тейєю. Водночас розташування в диску вирішувало, які планети ставали каменистими, а які — гігантськими: за межами лінії заморозки, де диск був холодним достатньо для того, щоб вода, аміак і метанол затверділи, було доступно кілька разів більше твердого матеріалу, що дозволяло ядрах там швидко зростати понад приблизно 10 мас Землі, щоб захопити великі гелієві-водопові envelopes до того, як навколишній газовий диск зник — створюючи Юпітер і Сатурн. Всередині лінії заморозки конденсувалися лише камінь і метал, що обмежувало ріст ядер за розміром, щоб не спровокувати цей шалений захоплення газу, тому Земля, Венера, Марс і МерКУРІЙ залишалися маленькими та каменистими.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Planetary Formation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.