Механизм, который приводит к образованию планетарной системы, широко изучен. Однако некоторые этапы этого процесса до сих пор не имеют четкого объяснения, что затрудняет определение точных свойств, которыми должен обладать протопланетный диск для формирования определенных типов планет. Исследовательская группа под руководством Андре Изидоро, научного сотрудника Университета Райса, смоделировала эволюцию околозвездного диска, изменив его физические и химические свойства. Цель — выяснить, что привело к образованию четырех планет во внутренней части Солнечной системы.
Протопланетный диск — это структура из газа и пыли, окружающая звезду на ранних этапах ее существования. В нем можно различить несколько колец, свидетельствующих о формировании планет, ограниченных так называемыми «буграми давления». Здесь давление имеет более низкие значения, чем в окружающих районах, а состав диска варьируется. В частности, можно выделить три различных диска:
- Самый внутренний ограничивает область околозвездной структуры, ближайшую к звезде. Здесь высокие температуры диска (более 1400 К) делают силикатные соединения газообразными и препятствуют образованию планет;
- Снеговая линия, при температуре около 170 К, определяет зону перехода воды из парообразного состояния в твердое. За этой линией формируются экзопланеты, которые классифицируются как ледяные гиганты;
- Снеговая линия CO, которая находится на уровне около 30 К, представляет собой область, где монооксид углерода затвердевает.
Роль этих изменений давления заключается в том, что они способствуют образованию планетезималей. Предполагается, что эти объекты, диаметр которых составляет от 10 до 100 км, являются строительными блоками для формирования планет. Зерна пыли в диске, которые движутся к центру системы, скапливаются в границах околозвездных колец, которые останавливаются колебаниями давления. Здесь они становятся гальками, а впоследствии и планетезималями.
Чтобы понять роль скачков давления в происхождении планет внутри протопланетного диска, команда астрономов разработала симуляцию, включив в модель три описанных выше перехода. В ходе исследования наблюдался рост похожих на Землю планетарных зародышей на расстоянии около 1 АЕ (астрономическая единица, равная 150 млн км) от центральной звезды.
Моделирование проводилось путем изменения свойств диска, таких как состав и температура. Эти изменения важны для понимания того, какие ингредиенты являются ключом к достижению результата, подобного тому, который имеет наша Солнечная система. В частности, было замечено, что если в области, следующей за первым скачком давления, будет обнаружен материал, эквивалентный по массе 2,5 Земле, то планеты будут сформированы с размерами, подобными Марсу. С другой стороны, если диск более массивен, получаются суперземли, эквивалентные телу массой 2-10 земных. Оба этих типа планет будут находиться во внутренней зоне планетарной системы, как и в случае с нашей Солнечной системой.
Это различие обусловлено не только количеством материала, присутствующего в областях диска, разделенных буграми давления, но и временем образования этих бугров. На самом деле, земные экзопланеты являются благоприятными, если два перехода, прилегающие к звезде, происходят на ранних стадиях эволюции диска. С другой стороны, если эти переходы развиваются поздно, то образующиеся в результате внесолнечные планеты будут более массивными.
Кроме того, с помощью моделирования можно было объяснить состав планет: железное ядро Земли и Венеры происходит из области, ближайшей к Солнцу, в пределах орбиты Земли; марсианский, с другой стороны, вероятно, твердый и с определенным компонентом серы, построен из материала, поступающего из более отдаленных регионов.
Исследования астрономов также распространились на понимание накопления планетезималей в так называемом поясе астероидов. Он расположен между Марсом и Юпитером и является домом для сотен малых тел, вероятно, возникших в результате столкновений между более крупными объектами.
Изначально моделирование показало, что область за Марсом практически лишена планетезималей. Однако позже как внутренние, так и внешние планетезимали в результате взаимодействия с эволюционирующими планетами и нестабильности приблизились к современной области пояса астероидов и оказались там в ловушке.
Опять же, состав этих объектов можно объяснить с помощью разработанных моделей. Две отличительные популяции — это астероиды S-типа и C-типа. Первый тип содержит объекты, состоящие в основном из силикатов, вероятно, полученных от блуждающих тел во внутренней области орбиты Марса. Второй тип, к которому относятся астероиды, состоящие в основном из углерода, происходит из внешних регионов системы.
Будущие исследования команды астрономов теперь будут направлены на понимание формирования внешней Солнечной системы. Именно здесь расположены газовые и ледяные гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Благодаря этому исследованию можно будет получить глубокое понимание эволюции внутренней Солнечной системы, которая до сих пор была редкостью во множестве открытых во Вселенной планетных систем.
Особенности работы сложного механизма тел, вращающихся вокруг Солнца, до сих пор остаются неясными. Хотя число обнаруженных внесолнечных планет растет с каждым годом, для того чтобы полностью понять их историю, необходимо приложить немало усилий, как технологических, так и научных. Наша Солнечная система также является редкой из-за особенностей наблюдений: мы пока не можем найти планеты, похожие на Землю, и планетные системы, похожие на Солнечную систему.
Нам предстоит еще много работы, но мы наконец-то знаем, что образование Земли, а также соседних с ней миров, произошло в результате скачков давления в диске, окружающем очень молодое Солнце.