Астрономы из Университета Райса проследили эволюцию протопланетного диска вокруг молодого Солнца с помощью моделирования. Такой подход позволил раскрыть ключевые механизмы образования планет внутренней Солнечной системы: Меркурия, Венеры, Земли и Марса.
Формирование планетных систем изучено хорошо. Некоторые этапы этого процесса остаются неясными, что мешает точно определить характеристики протопланетного диска, необходимые для образования определенных типов планет. Группа исследователей под руководством Андре Изидоро, сотрудника Университета Райса, смоделировала эволюцию околозвездного диска с измененными физическими и химическими свойствами. Цель — понять образование четырех планет во внутренней части Солнечной системы.
Протопланетный диск – это структура из газа и пыли, округивающая звезду на ранних этапах ее существования. В нем просматриваются несколько колец, указывающих на формирование планет, ограниченных «буграми давления». Давление в этих буграх ниже, чем в окружающих областях, а состав диска меняется. Три различных диска можно выделить, например.
- Внутренняя часть границ области околозвездной структуры находится ближе всего к звезде. Высокие температуры диска (более 1400 К) здесь испаряют силикатное вещество, затрудняя формирование планет.
- При температуре около 170 К снеговая линия обозначает границу превращения воды из газообразной в твердую форму. За ней образуются экзопланеты, которые относят к ледяным гигантам.
- В области с температурой около 30 кельвинов CO-линия формируется – место, где монооксид углерода переходит в твердое состояние.
Изменения давления способствуют образованию планетезималей. Предполагается, что эти объекты диаметром от 10 до 100 километров являются строительными блоками для формирования планет. Зерна пыли в диске, движущиеся к центру системы, скапливаются в границах околозвездных колец, останавливаясь колебаниями давления. Здесь они становятся гальками, а затем — планетезималями.
Чтобы выяснить влияние скачков давления на формирование планет в протопланетном диске, астрономы провели симуляцию с тремя переходами из описанных выше групп. В ходе исследования наблюдался рост зародышей планет, напоминающих Землю, примерно в одном астрономическом واحدe от центральной звезды.
Исследователи моделировали образование планет, меняя свойства диска: состав и температуру. Это важно для определения ключевых компонентов, приводящих к результатам, подобным нашим звездным системам.
Обнаружено, что если после первого скачка давления будет массивный материал (2,5 массы Земли), то планеты сформируются размером с Марс. Если же диск более массивен, получаются суперземли массой 2-10 земных. И те, и другие будут находиться во внутренней зоне системы, как в нашей Солнечной системе.
Поиск миров, похожих на Землю по размеру или меньше, пока сложен. Такие планетные системы встречаются редко в каталоге открытых экзопланет.
Различие объясняется не только объёмом материала в областях диска, разделенных буграми давления, но и временем их формирования. На самом деле, экзопланеты Земли являются благоприятными, если два перехода, прилегающих к звезде, происходят на ранних этапах эволюции диска. Если же эти переходы развиваются поздно, образующиеся в результате внесолнечные планеты будут более массивными.
Моделирование позволило объяснить состав планет: железное ядро Земли и Венеры сформировалось из области, близкой к Солнцу, внутри орбиты нашей планеты; марсианское же, вероятно, твердое с содержанием серы, создано из материала из более удаленных регионов.
Астрономические исследования расширились на изучение накопления планетезималей в поясе астероидов, который находится между Марсом и Юпитером и населен сотнями малых тел, вероятно, образовавшихся при столкновениях более крупных объектов.
Вначале моделирование выявило почти полное отсутствие планетезималей за Марсом. После этого, взаимодействие с развивающимися планетами и неустойчивостью привело к тому, что как внутренние, так и внешние планетезимали оказались вблизи современной области пояса астероидов и попали в ловушку.
Состав этих объектов можно объяснить с помощью разработанных моделей. Есть две отличительные популяции: астероиды S-типа и C-типа. Первый тип состоит преимущественно из силикатов, которые, вероятно, образовались от блуждающих тел во внутренней области орбиты Марса. Второй тип – это астероиды, состоящие в основном из углерода, происходящие из внешних регионов системы.
Исследователи обратят внимание на формирование внешней Солнечной системы, где находятся газовые и ледяные гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Сложность работы механизмов тел, вращающихся вокруг Солнца, до сих пор остается непонятной. Хотя количество обнаруженных внесолнечных планет увеличивается ежегодно, полное понимание их истории требует значительных технологических и научных усилий. Наша Солнечная система также является редкой из-за особенностей наблюдений: пока не удается обнаружить планеты, подобные Земле, и планетные системы, схожие с нашей.
Необходимо выполнить ещё немало работы, но мы получили ответ на вопрос о формировании Земли и её соседей: образовались они вследствие резкого роста давления в диске, располагавшемся вокруг только что родившегося Солнца.