Астрономы нашли недостающее звено в формировании планет

Москва. 28 февраля. INTERFAX.RU - Астрономы нашли объяснение процессу превращения комков космической пыли в планетезимали в аккреционном диске звезды. По их мнению, важную роль в нем играют так называемые пылевые ловушки и аэродинамическое сопротивление, пишет сайт N+1 со ссылкой на журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Известно, что источником происхождения планетных систем, подобных Солнечной системе, является газопылевой диск вокруг звезды. Частицы пыли в протопланетном диске хаотически двигаются вместе с потоками газа, сталкиваются и слипаются друг с другом. Со временем эти небольшие комки космической пыли, размером всего в несколько сантиметров, увеличиваются, образуя более крупные тела - планетезимали. Именно они служат зародышами для будущих планет.

Астрофизики хорошо изучили виды процессов превращения частиц пыли в маленькие комки, а также объяснили, каким образом километровые планетезимали образуют ядра планет. Тем не менее ученым до сих пор было очень мало известно о том, как космическая пыль формирует тела, по размерам сравнимые с астероидами.

Трудности роста

Для того, чтобы комки пыли могли стать планетезималями, им необходимо преодолеть два препятствия. Во-первых, из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем скорость свободных тел на таком же расстоянии. Как следствие, частицы размером более нескольких миллиметров опережают газ, а встречный поток их затормаживает их и вынуждает по спирали опускаться к звезде. Чем крупнее становятся пылинки, тем быстрее они "падают" туда, где они испарятся и разрушатся.

Во-вторых, подросшие частицы при столкновении друг с другом на высокой скорости могут опять распасться на огромное число более мелких, что повернет процесс накопления массы вспять.

Пылевые ловушки - колыбель планет

Единственная область в протопланетном диске, где обе эти проблемы могут быть решены, это пылевые ловушки. Так называют области высокого давления, где дрейфовое движение замедляется, что позволяет пылинкам слипаться и разрастаться, не разрушаясь при этом при столкновениях. Раньше астрономы считали, что такие пылевые ловушки могут существовать только в очень специфичных условиях, однако авторы новой работы показали, что они должны быть распространены гораздо шире.

Исследователи провели компьютерную симуляцию того, как пылинки взаимодействуют с газом в протопланетном диске. В большинстве случаев движением частиц управляли потоки газа, однако в некоторых, наиболее "пыльных" моделях, по словам ученых, наблюдалась обратная картина, и скопление частиц меняло структуру газа в диске. Название такого эффекта - обратное аэродинамическое сопротивление. Как правило, исследователи его игнорируют при изучении роста и фрагментации комков пыли. Однако авторы работы заявляют, что в "густых" протопланетных дисках он играет важную роль.

Модель показала, что благодаря обратному аэродинамическому сопротивлению движение пылинок к материнской звезде замедляется, что дает им время подрасти. После того как они укрупняются, газ уже не управляет их движением. Со временем он начинает выталкиваться в более далекие регионы диска, формируя области высокого давления: пылевые ловушки. В них постепенно накапливаются частицы из внешних областей газопылевого диска, образуя более крупные комки, которые со временем сформируют планетезимали.

Один из авторов работы так прокомментировал открытие: "Мы были очень взволнованы, обнаружив, что при правильном наборе ингредиентов пылевые ловушки могут формироваться спонтанно в самых разных условиях. Это простое и ясное решение давней проблемы формирования планет".

Исследователи еще много лет назад предположили, что в протопланетных дисках должны существовать пылевые ловушки, однако подтвердить эту гипотезу удалось лишь в 2013 году. Тогда астрофизики впервые с помощью телескопа ALMA увидели пылевую ловушку в системе Oph-IRS 48. Кроме того, ALMA недавно помог ученым получить детальные снимки сразу нескольких протопланетных дисков вокруг молодых звезд.