Існування планет-гігантів не знаходить пояснення

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 198

Внутрішня міграція протопланет (вони представлені білими точками, розмір точки пропорційний масі протопланети). Щільність протопланет вище в більш яскравих частинах диска (зображення з сайту www.physorg.com)

Моделювання освіти планет у протопланетних дисках стикається з серйозною проблемою: ніяк не вдається задовільним чином домогтися формування планет гігантів. Планети просто падають на зірку. Британські астрономи спробували обійти цю проблему, змоделювавши рух відразу безлічі формованих планет.

Згідно з сучасними уявленнями, картина освіти планетних систем виглядає приблизно так. Спочатку пилові частинки злипаються, утворюючи планетезимали діаметром близько кілометра. Потім, продовжуючи рости і зливатися, планетезималі формують зародки планет діаметром 100-1000 км. Серед них виділяються найбільш великі тіла, які продовжують рости за «олігархічним» механізмом, поглинаючи більш дрібні. У результаті формується кілька відносно невеликих об’єктів поблизу зірки, які стають планетами земного типу, і кілька більш великих на відстані понад 3 астрономічних одиниць, яким належить стати газовими планетами-гігантами.

Ця теорія виглядає досить красиво, але стикається з однією серйозною проблемою при спробі чисельно змоделювати освіту планетної системи. Коли на периферії сформувалися масивні об’єкти-олігархи, їм ще належить досить довго набирати вагу шляхом аккреції навколишнього газу. Однак ледь тільки їх маса стає досить великою, гравітаційна взаємодія з газовим диском починає швидко зменшувати радіуси їх орбіт. Проходить всього 100 тисяч років, і всі масивні об’єкти провалюються у внутрішні області системи, де з високою ймовірністю падають на центральну зірку. Рухаючись по колу, протопланета, подібно мотоциклу на крижаному треку, викидає на більш високі орбіти потоки пилу і газу. На це, звичайно, витрачається енергія орбітального руху самої протопланети, і, поки диск залишається досить щільним, вона досить швидко втрачає висоту.

Щоб врятуватися, «олігархам» треба протриматися всередині диска хоча б мільйон-інший років. Цього часу їм вистачить, щоб сконцентрувати в собі більшу частину речовини диска. Однак результати моделювання невблаганні, як суд над Ходорковським: окремий масивний об’єкт, що обертається всередині газопилового диска, неодмінно гине.

Астрономи Пол Крессвел (Paul Cresswell) і Річард Нельсон (Richard Nelson) зі Школи математичних наук при Університеті королеви Марії в Лондоні вирішили перевірити, чи не можуть «олігархи» вижити, якщо об’єднаються в групу. Висловлюючись точніше, вони вирішили змоделювати спільну еволюцію групи протопланет всередині диска в надії на те, що взаємодія між ними дозволить уникнути провалювання в центр системи хоча б деяким великим протопланетам.

На жаль, результати моделювання виявилися не надто обнадійливими. Після багаторазових прогонів моделі з’ясувалося, що лише в рідкісних випадках (близько 2%) взаємодія між масивними протопланетами призводить до того, що одна з них викидається на досить велику орбіту, що дозволяє продовжити їй життя. Однак в інших випадках всі протопланети починають спільно рухатися вниз, до зірки, де їх чекає безславний кінець.

Цікаво відзначити, що в цьому русі протопланети в якомусь сенсі навіть допомагають один одному. У результаті серії взаємодій вони попарно потрапляють у резонанс один з одним, коли періоди звернення співвідносяться як невеликі цілі числа. З’єднані такими резонансними зв’язками протопланети як би тягнуть один одного за собою — зменшення періоду обігу однієї планети спонукає до зменшення періоду пов’язану з нею, а та, в свою чергу, викликає скорочення періоду у наступної пов’язаної з нею протопланети. І так, строєм, всі вони відправляються в пекло.

Правда, приблизно в 20% випадків спостерігалося одне виключення з цієї сумної картини — коли протопланети входили в резонанс зі ставленням періодів 1:1, тобто, грубо кажучи, зверталися по загальній орбіті (це не зовсім точно, оскільки орбіти могли помітно різнитися, збігалися — та й то в середньому за кілька обертів — тільки періоди обігу). Такі пари коорбітальних протопланет в ряді випадків могли протриматися всередині диска досить тривалий час. На цій підставі автори роботи передбачають, що з розвитком засобів спостереження у інших зірок повинні знайтися пари планет, що звертаються по загальній орбіті приблизно так само, як у Сонячній системі по орбіті Юпітера звертаються групи астероїдів Греки і Троянці.

Незважаючи на це цікаве передбачення, в цілому результат нової роботи виявився негативним. Показано, що облік взаємодії протопланет не дозволяє запобігти їх провалювання в центр системи, що формується. Так що на сьогодні існування планет-гігантів у Сонячній системі як і раніше залишається нез’ясованим.

Звичайно, астрономи продовжують шукати пояснення. Згідно з однією з гіпотез, утворення великих протопланет у зовнішніх галузях диска може повторюватися кілька разів. Перші покоління гинуть, а останнє вже не зустрічає великого опору з боку диска, який втратив значну частину маси. Інша ідея полягає в тому, щоб врахувати турбулентність всередині протопланетного диска — досі всі моделі враховували тільки ламінарне обертання. Всі ці гіпотези ще належить перевіряти.

Олександр Сергєєв

Джерела:

1) The locked migration of giant protoplanets,  , 21.03.2006.

2) Paul Cresswell, Richard Nelson, Evolution of multiple protoplanets — короткий виклад результатів роботи з додатком відеороликів за результатами модельованія.3)

Paul Cresswell, etRichard, моделювання.