Протопланетні диски: від пилових частинок до планет

Від кола обертання до диска протопланетарного

Диск протопланет утворюється як обертаюча хмара газу та пилу – така ж сама, що колапсує для формування нової зірки. Навіть невеликий початковий оберт може бути підсилений, коли хмара стискається, оскільки імпульс зберігається. Матеріал вільно падає вздовж осі обертання, але матеріал в екваторіальній площині утримується центробійною силою, що призводить до того, що все це згортається в диск протягом кількох стотисяч років. Залишилася молода зірка – T Tauri зірка, якщо вона схожа на Сонце, або Herbig Ae/Be зірка, якщо вона більш масивна – оточена тонким обертовим диском залишків газу (переважно водню та гелію) і приблизно 1% маси твердих частинок пилу.

Від пилу до гравійів та планетезмідів

Утворення планет починається з малого. Мікрономірні пилові частинки стикаються на низькій відносній швидкості і з’єднуються між собою електростатично, поступово утворюючи гравій та сантиметрові камені – процес, який називається агрегацією. Це добре працює до приблизно розміру великих порід, але потім фізика стає ворожою:

частинки ~1 мікрометр з’єднуються при контакті (міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса) гравій мм-см агрегація сповільнюється, відбивання/роз fragmentation конкурують планета ~0.1-10 метрів газовий опір виснажує орбітальний енергетичний імпульс – об’єкт спіралевидно падає в зірку протягом ~100-1000 обертів бар’єр >1 км самовтягування бере надміну; газовий опір стає незначним планетезмід

Через те, що газовий диск частково підтримується тиском, він обертається трохи повільніше, ніж твердотіле об’єкт на тій самій відстані. Метар-розмірний камінь, який рухається швидше, ніж навколишній газ, відчуває постійний «повітряний опір», втрачає коливальний момент і спіралевидно падає в зірку задовго до того, як він міг би вирости іншим способом. Найбільш вірогідне рішення – стрімингова нестабільність: коли тверді тіла концентруються в регіоні, вони локально змінюють потік газу таким чином, що це ще більше концентрує їх, поки згусток не стає достатньо щільним, щоб зруйнуватися під власною гравітацією безпосередньо у розмір планетезміду – практично повністю пропускаючи вразливий діапазон розмірів.

grains       ~1 micron    stick on contact (van der Waals forces)
pebbles      mm-cm        coagulation slows, bouncing/fragmentation compete
"meter        ~0.1-10 m   gas drag drains orbital energy — object spirals
 barrier"                 into the star within ~100-1000 orbits
planetesimal  >1 km       self-gravity takes over; drag becomes negligible

Сніговий лінія

Не всі тверді тіла однакові. Поруч із зірком занадто холодно, щоб вода та інші летючі речовини замерзли, тому доступно лише каменете та металеве пил для формування планет — походження невеликих щільних світів у нашій внутрішній сонячній системі. Поза сніговою лінією вода та інші льоди конденсуються в тверді зерна, приблизно збільшуючи масу доступного твердого матеріалу. Ця додаткова маса пояснює, чому утворюються великі газові ядра за межами снігової лінії, достатньо швидко зростаючи для гравітаційного захоплення великих оболонок водню та гелію з навколишнього диска до того, як газ розсіюється.

Кільця, проміжки та революція ALMA

У 2014 році Магелланівський радіомовний телескоп (ALMA) випромінив перше чітке зображення молодої диска, HL Tauri, і він не був гладким: його вирізали серією концентричних яскравих кілець та темних проміжків. Подібні структури з’являлися в десятках інших дисків. Найбільш поширене пояснення полягає в тому, що утворюючий планету об'єкт гравітаційно розкидає сусідній матеріал, відкриваючи проміжок і накопичуючи пил на своїх краях — але снігові лінії та інші нестабільності можуть створити подібні закономірності без жодного планети, тому проміжок сам по собі є лише приводом, а не доказом.

Разрушение диска

Газ в протопланетном диске не длится вечно. Висходящий поток постоянно затягивает газ к звезде, одновременно перенося угловой момент наружу, а фотоспаленная радиация звезды рассеивает внешний диск изнутри. Большинство дисков теряют свой газ в течение примерно 1 до 10 миллионов лет — это жесткий срок для любого газового гиганта, которому нужно набрать водородную оболочку, и причина, по которой формирование планет понимается как гонка против часов, установленных рассеянием диска.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

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