Наиболее распространённым объяснением образования планет является аккреционная теория. Она гласит, что мелкие частицы в протопланетном диске накапливаются под действием гравитации и со временем образуют все более крупные тела, называемые планетезималями. В конце концов, многие планетезимали сталкиваются и объединяются, образуя ещё более крупные тела. Для газовых гигантов они становятся ядрами, которые в течение миллионов лет втягивают в себя огромное количество газа.
Однако теория аккреции не может объяснить газовые гиганты, которые образуются вдали от своих звёзд, или существование ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун.
Теория аккреции возникла ещё в 1944 году, когда российский учёный Отто Шмидт предположил, что каменистые планеты, такие как Земля, образовались из «метеоритного материала». Ещё один шаг вперёд произошёл в 1960 году, когда английский астроном Уильям Маккреа предложил «протопланетную теорию», утверждающую, что планеты формируются в солнечной туманности. За прошедшие с тех пор десятилетия аккреционная теория была уточнена и дополнена, и в наше время астрономы собрали больше наблюдательных данных, подтверждающих её.
Однако в теории есть несколько дыр, которые всё ещё нужно затыкать.
Согласно ей, формирование ядра, достаточно большого для превращения в газовый гигант, занимает несколько миллионов лет, а протопланетные диски рассеиваются слишком быстро, чтобы это произошло. Протопланеты также имеют тенденцию мигрировать к своей звезде по мере роста, и они могут не успеть набрать достаточную массу до того, как звезда поглотит их.
Теория аккреции сталкивается с ещё одной проблемой, которая всплыла после того, как мы обнаружили больше экзопланет в других солнечных системах. Она не может объяснить горячие юпитеры и суперземли.
С годами развитие потоковой неустойчивости и галечной аккреции позволило преодолеть некоторые из этих проблем. Потоковая неустойчивость объясняет, как частицы в газовом диске испытывают сопротивление и скапливаются в сгустки, которые затем гравитационно разрушаются. Аккреция камешков объясняет, как частицы диаметром от сантиметра до метра испытывают сопротивление и образуют планетезимали. Обе эти теории укрепили теорию аккреции, но астрономы всё ещё жаждут полной теории формирования планет.
Исследователи разработали новую модель, которая включает в себя все физические процессы, участвующие в формировании планет. Их работа, опубликованная в журнале Astronomy and Astrophysics, называется «Последовательное образование планет-гигантов, инициированное дисковой субструктурой«. Ведущий автор — Томми Чи Хо Лау, докторант Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (Германия).
Новая модель показывает, что субструктуры в протопланетном диске, называемые кольцевыми возмущениями, могут вызвать образование нескольких газовых гигантов в быстрой последовательности. Критически важно, что эта модель согласуется с некоторыми из последних наблюдений.
Планеты формируются в нестабильных газовых дисках вокруг звёзд. Исследователи показывают, как мелкие частицы пыли миллиметрового размера накапливаются в диске и попадают в ловушку кольцевых возмущений. Авторы называют их миграционными ловушками. Оказавшись в ловушке, частицы не могут гравитационно притянуться к звезде. В этих компактных областях диска скапливается много материала, из которого формируются планеты, что создаёт условия для быстрого планетообразования.
«Мы обнаружили быстрое формирование нескольких газовых гигантов из начальной субструктуры диска», — пишут исследователи в своей работе. «Миграционная ловушка вблизи субструктуры позволяет формироваться холодным газовым гигантам».
Этот процесс создаёт новый максимум давления на внешнем краю планетарного разрыва, который запускает следующее поколение планетарного образования. В результате образуется компактная цепочка планет-гигантов, которую мы и наблюдаем в нашей Солнечной системе. Этот процесс эффективен, потому что первые газовые гиганты, которые образуются, не дают пыли, необходимой для формирования следующей планеты, дрейфовать внутрь к звезде.
«Когда планета становится достаточно большой, чтобы влиять на газовый диск, это приводит к возобновлению обогащения пыли дальше в диске», — объясняет Тиль Бирнстиль, соавтор работы, профессор теоретической астрофизики LMU и член кластера передовых технологий ORIGINS. «В процессе планета гонит пыль, подобно пастушьей собаке, преследующей своё стадо, в область за пределами своей орбиты».
Затем процесс повторяется. «Впервые с помощью моделирования удалось проследить процесс, в ходе которого мелкая пыль превращается в гигантские планеты», — говорит Томми Чи Хо Лау, ведущий автор исследования.
Атакамская большая миллиметровая-субмиллиметровая решётка (ALMA) специализируется на наблюдении протопланетных дисков. Он может видеть сквозь пыль, которая мешает формированию планет вокруг молодых звёзд. Она обнаружила газовые гиганты в молодых дисках на расстоянии более 200 AU. В нашей Солнечной системе Юпитер находится на расстоянии около 5 AU, а Нептун — около 30 AU. Авторы говорят, что их модель может объяснить все эти различные варианты. Она также показывает, как в нашей Солнечной системе перестали формироваться планеты после Нептуна, потому что весь материал был израсходован.
«Эта работа демонстрирует сценарий последовательного формирования планет-гигантов, который запускается начальной дисковой субструктурой», — пишут авторы в своём заключении. «Планетарные ядра быстро формируются из начальной дисковой субструктуры, которая затем может быть удержана в миграционной ловушке и начать аккрецию газа». Результаты показывают, что «… до трёх ядер могут сформироваться и вырасти в гигантские планеты в каждом поколении».
То, как формируются подструктуры, выходит за рамки данной работы. Для изучения этого вопроса необходимы дополнительные исследования.
Эта работа может объяснить, как формируются газовые гиганты, но она не может объяснить, как это происходит в нашей Солнечной системе. Это требует дополнительных исследований того, как происходит аккреция газа, которыми активно занимается астрономическое сообщество.
«Для моделирования времени формирования планет-гигантов Солнечной системы необходимы дальнейшие исследования именно аккреции газа», — заключают авторы.
