Нова теорія того, як планети утворюють знаходяться притулки стійкості на тлі бурхливих турбулентностей у закрученому газі, що оточує молоду зірку. Ці охоронювані території є там, де планети можуть почати формуватися, не руйнуючись. Теорія буде опублікована у лютневому номері журналу Icarus.
«Це ще один спосіб розпочати планету. Він одружується з двома основними теоріями формування планети ", - сказав Річард Дурісен, професор астрономії та голова кафедри університету Індіани Блумінгтон. Дурісен є лідером у використанні комп'ютерів для моделювання планет.
Дивлячись, як його симулятори працюють на моніторі комп’ютера, легко уявити, як дивитися з точки зору в міжзоряний простір і спостерігати, як процес справді відбувається.
Зелений диск газу кружляє навколо центральної зірки. Врешті-решт, всередині диска починають з’являтися спіральні жовті ручки, що вказує на регіони, де газ стає щільніше. Потім з’являються кілька крапель червоного кольору, спочатку просто натякають, але потім поступово більш стійкі. Ці червоні регіони ще щільніше, показуючи, де накопичуються маси газу, які згодом можуть стати планетами.
Турбулентні гази та закручені диски - це математичні конструкції, що використовують гідродинаміку та комп’ютерну графіку. Монітор комп’ютера відображає результати розрахунків вчених як різнокольорові анімації.
"Це диски газу і пилу, які бачать астрономи навколо більшості молодих зірок, з яких утворюються планети", - пояснив Дурісен. "Вони схожі на гігантський вир, який крутиться навколо зірки на орбіті. Наша власна Сонячна система утворилася з такого диска ».
Вченим зараз відомо про понад 130 планет навколо інших зірок, і майже всі вони принаймні такі ж масивні, як Юпітер. "Планети газових гігантів є більш поширеними, ніж ми могли здогадатися навіть 10 років тому", - сказав він. "Природа досить добре робить ці планети".
Дурісен, ключове значення для розуміння того, як створюються планети, - це явище, яке називається гравітаційними нестабільностями. Вчені давно вважають, що якщо газові диски навколо зірок є досить масивними і досить холодними, ці нестабільності трапляються, що дозволяє тяжкості диска перевершити тиск газу і змусити частини диска зібратися разом і утворювати щільні скупчення, які можуть стати планетами.
Однак гравітаційно нестабільний диск - це жорстоке середовище. Взаємодія з іншим матеріалом диска та іншими скупченнями може кинути потенційну планету в центральну зірку або розірвати її повністю. Якщо планети мають формуватися на нестабільному диску, їм потрібно більш захищене середовище, і Дурісен вважає, що його знайшов.
По мірі його моделювання кільця газу утворюються в диску на краю нестабільної області і стають все більш щільними. Якщо тверді частинки, що накопичуються в кільці, швидко мігрують до середини кільця, ядро планети могло б утворитися набагато швидше.
Фактор часу важливий. Основна проблема, з якою стикаються Дурісен та інші теоретики, - недавнє відкриття астрономами, що планети-гіганти, такі як Юпітер, формуються досить швидко за астрономічними мірками. Вони повинні - інакше потрібного газу не буде.
"Астрономи тепер знають, що масивні диски газу навколо молодих зірок, як правило, відходять протягом кількох мільйонів років", - сказав Дурісен. "Таким чином, це шанс зробити планети, багаті газом. Юпітер і Сатурн і планети, які є загальними навколо інших зірок, - це всі газові гіганти, і ці планети повинні бути зроблені під час цього декількох мільйонів років, коли навколо все ще є значна кількість газового диска ".
Ця потреба у швидкості викликає проблеми для будь-якої теорії з неквапливим підходом до формування планет, як, наприклад, основна теорія нарощування, що була стандартною моделлю до недавнього часу.
"У основі теорії нарощування пластів газогенетичні планети починаються процесом, подібним до накопичення планет, таких як Земля", - пояснив Дурісен. «Тверді предмети вдаряються один про одного і злипаються і збільшуються в розмірах. Якщо твердий предмет зростає приблизно в 10 разів більше маси Землі, а навколо нього також є газ, він стає досить масивним, щоб гравітаційно схопитися на велику частину газу. Як тільки це станеться, ви отримаєте швидкий ріст планети-гіганта газу ».
Біда полягає в тому, що для формування міцного ядра таким чином потрібно тривалий час - десь приблизно від 10 до 100 мільйонів років. Ця теорія може працювати для Юпітера та Сатурна, але не для десятків планет навколо інших зірок. Багато з цих інших планет мають в кілька разів більше маси Юпітера, і зробити такі величезні планети за допомогою ядра дуже важко.
Теорія, згідно з якою гравітаційні нестабільності самі по собі можуть утворювати газові гігантські планети, вперше була запропонована понад 50 років тому. Він нещодавно відродився через проблеми з базовою теорією нарощування. Ідея про те, що величезні маси газу раптом руйнуються гравітацією, утворюючи щільний об'єкт, можливо, лише за декілька орбіт, безумовно, відповідає наявним часовим рамкам, але у нього є окремі проблеми.
Відповідно до теорії гравітаційної нестабільності, спіральні руки утворюються в газовому диску і потім розпадаються на скупчення, що знаходяться на різних орбітах. Ці скупчення виживають і розростаються до тих пір, поки навколо них не утворюються планети. Дурісен бачить ці скупчення у своїх симуляціях - але вони тривають недовго.
"Згустки летять навколо, зрізаються і перетворюються і знищуються знову і знову", - сказав він. "Якщо гравітаційні нестабільності будуть досить сильними, спіральна рука розіб'ється на скупчення. Питання в тому, що з ними відбувається? "
Співавторами цього документу є докторська студентка IU Kai Cai та двоє колишніх студентів Дурісена: Annie C. Mejia, докторантура кафедри астрономії Університету Вашингтона; та Меган К. Пікетт, доцент кафедри фізики та астрономії, Університет Перду Калумет.
Оригінальне джерело: Новини університету Індіани
