Sekrety Szybkiego Tworzenia Planet: Rozwiązane Zagadki Protogalaktyczne w Nadprędkości

Ilustracja modelu pokazującego, jak gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz, Saturn czy Uran, mogą również szybko powstawać w Układzie Słonecznym z pyłu dysku protoplanetarnego, a następnie wpychać pył w obszary poza ich orbitą. Źródło: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Naukowcy opracowali nowy model powstawania planet, który pokazuje, jak zaburzenia w dyskach protoplanetarnych mogą szybko tworzyć gazowe olbrzymy. Ten proces jest bardziej wydajny niż wcześniej sądzono i jest zgodny z ostatnimi obserwacjami odległych gazowych olbrzymów.

Naszym najbliższym kosmicznym sąsiedztwem jest nasz Układ Słoneczny. Znamy go dobrze: Słońce w centrum; następnie skaliste planety Merkury, Wenus, Ziemia i Mars; a następnie pas asteroid; następnie gazowe olbrzymy Jowisz i Saturn; a następnie lodowe olbrzymy Uran i Neptun; i na końcu pas Kuipera z jego kometami.

Ale jak dobrze znamy nasz dom? Poprzednie teorie zakładały, że planety olbrzymy powstają w wyniku zderzeń i akumulacji ciał niebieskich przypominających asteroidy, tzw. planetozymali, oraz późniejszej akrecji gazu w ciągu milionów lat. Jednak modele te nie wyjaśniają ani istnienia gazowych olbrzymów położonych daleko od swoich gwiazd, ani powstawania Urana i Neptuna.

Astrofizycy z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium (LMU), gromady ORIGINS i Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka (MPS) opracowali pierwszy w historii model uwzględniający wszystkie niezbędne procesy fizyczne odgrywające rolę w powstawaniu planet. Korzystając z tego modelu, wykazali, że zaburzenia pierścieniowe w dyskach protoplanetarnych, tzw. podstruktury, mogą wywołać szybkie powstawanie wielu gazowych olbrzymów. Wyniki badania są zgodne z najnowszymi obserwacjami i wskazują, że powstawanie planet olbrzymów może następować wydajniej i szybciej, niż wcześniej sądzono.

„Kiedy planeta staje się wystarczająco duża, aby wpłynąć na dysk gazowy, prowadzi to do ponownego wzbogacenia pyłu w dalszej części dysku. W tym procesie planeta wypycha pył – jak owczarek goniący swoje stado – w obszar poza własną orbitą”. — Prof. Til Birnstiel

Za pomocą swojego modelu naukowcy pokazują, w jaki sposób cząstki pyłu wielkości milimetra gromadzą się aerodynamicznie w turbulentnym dysku gazowym i w jaki sposób to początkowe zaburzenie w dysku zatrzymuje pył i zapobiega jego zniknięciu w kierunku gwiazdy. Ta akumulacja sprawia, że ​​wzrost planet jest bardzo wydajny, ponieważ nagle dużo „materiału budowlanego” jest dostępne w zwartym obszarze i występują odpowiednie warunki do powstawania planet.

„Kiedy planeta staje się wystarczająco duża, aby wpłynąć na dysk gazowy, prowadzi to do ponownego wzbogacenia pyłu dalej w dysku”, wyjaśnia Til Birnstiel, profesor astrofizyki teoretycznej na LMU i członek klastra doskonałości ORIGINS. „W tym procesie planeta wypycha pył – jak owczarek goniący swoje stado – w obszar poza własną orbitą”. Proces zaczyna się od nowa, od wewnątrz na zewnątrz, i może powstać kolejna gigantyczna planeta. „To pierwszy raz, kiedy symulacja prześledziła proces, w którym drobny pył przekształca się w planety olbrzymy” — zauważa Tommy Chi Ho Lau, główny autor badania i doktorant na LMU.

W naszym układzie słonecznym gazowe olbrzymy znajdują się w odległości od około 5 jednostek astronomicznych (au) (Jowisz) do 30 au (Neptun) od Słońca. Dla porównania, Ziemia znajduje się około 150 milionów kilometrów od Słońca, co odpowiada 1 au.

Badanie pokazuje, że w innych układach planetarnych zaburzenie mogłoby uruchomić proces w znacznie większych odległościach i nadal zachodzić bardzo szybko. Takie układy były często obserwowane w ostatnich latach przez obserwatorium radiowe ALMA, które znalazło gazowe olbrzymy w młodych dyskach w odległości ponad 200 au. Jednak model wyjaśnia również, dlaczego nasz układ słoneczny najwyraźniej przestał formować dodatkowe planety po Neptunie: materiał budulcowy został po prostu zużyty.

Wyniki badania pokrywają się z obecnymi obserwacjami młodych układów planetarnych, które mają wyraźne podstruktury w swoich dyskach. Te podstruktury odgrywają decydującą rolę w formowaniu się planet. Badanie wskazuje, że formowanie się planet olbrzymów i gazowych olbrzymów przebiega z większą wydajnością i szybkością, niż wcześniej zakładano. Te nowe spostrzeżenia mogą udoskonalić nasze zrozumienie pochodzenia i rozwoju planet olbrzymów w naszym układzie słonecznym oraz wyjaśnić różnorodność obserwowanych układów planetarnych.