Migracja wewnętrzna grupy protoplanet, gdzie są one reprezentowane przez białe kółka. Źródło zdjęcia: QMUL Kliknij, aby powiększyć
Astronomowie uważają, że znają wiele aspektów formowania się planet. Zgodnie z ich modelem rdzenie tych masywnych planet powinny zostać przyciągnięte do siebie przez ich gwiazdę macierzystą w ciągu zaledwie 100 000 lat - co za mało, by uformować stabilną orbitę. Może się zdarzyć, że pierwsze generacje planet nigdy nie przejdą etapu „kępy”, zanim zostaną zniszczone. Tylko późniejsze pokolenia faktycznie przetrwały wystarczająco długo, aby stać się planetami.
Dwóch brytyjskich astronomów, Paul Cresswell i Richard Nelson, przedstawiają nowe symulacje numeryczne w ramach trudnych badań nad tworzeniem się układu planetarnego. Odkryli, że we wczesnych stadiach formowania się planet gigantyczne protoplanety migrują do wewnątrz w ślepy zaułek do gwiazdy centralnej. Ich wyniki zostaną wkrótce opublikowane w Astronomy & Astrophysics.
W artykule, który zostanie opublikowany w Astronomy & Astrophysics, dwóch brytyjskich astronomów przedstawia nowe symulacje numeryczne tego, jak układają się układy planetarne. Odkryli, że we wczesnych stadiach formowania się planet gigantyczne protoplanety migrują do wewnątrz w ślepy zaułek do gwiazdy centralnej.
Obecny obraz tego, jak kształtują się układy planetarne, jest następujący: i) ziarna pyłu koagulują, tworząc planetozymale o średnicy do 1 km; ii) niekontrolowany wzrost planetozymali prowadzi do powstania ~ 100? Zarodki planetarne o wielkości 1000 km; iii) zarodki te rosną w sposób „oligarchiczny”, w którym kilka dużych ciał dominuje w procesie formowania i akretuje otaczające i znacznie mniejsze planetozymale. Ci „oligarchowie” tworzą planety lądowe w pobliżu centralnej gwiazdy i rdzenie planet dziesięciu mas lądowych w regionie gigantycznych planet poza 3 jednostkami astronomicznymi (AU).
Teorie te nie opisują jednak formowania się gigantycznych planet gazowych w zadowalający sposób. Oddziaływanie grawitacyjne między gazowym dyskiem protoplanetarnym a masywnymi rdzeniami planetarnymi powoduje, że poruszają się one szybko do wewnątrz przez około 100 000 lat w czasie, który nazywamy „migracją” planety w dysku. Prognozowanie tej szybkiej migracji do wewnątrz gigantycznych protoplanet jest poważnym problemem, ponieważ ta skala czasu jest znacznie krótsza niż czas potrzebny gazowi do przedostania się na formującą się gigantyczną planetę. Teorie przewidują, że gigantyczne protoplanety połączą się w gwiazdę centralną, zanim planety zdążą się uformować. Utrudnia to w ogóle zrozumienie, jak mogą się tworzyć.
Po raz pierwszy Paul Cresswell i Richard Nelson zbadali, co dzieje się z gromadą formujących się planet osadzonych w gazowym dysku protoplanetarnym. Poprzednie modele numeryczne zawierały tylko jedną lub dwie planety na dysku. Ale nasz własny układ słoneczny i ponad 10% znanych pozasłonecznych układów planetarnych to układy wieloplanetarne. Oczekuje się, że liczba takich układów wzrośnie wraz z poprawą technik obserwacyjnych układów pozasłonecznych. Praca Cresswella i Nelsona po raz pierwszy w symulacjach numerycznych obejmowała tak dużą liczbę protoplanet, biorąc pod uwagę oddziaływanie grawitacyjne między protoplanetami a dyskiem oraz między samymi protoplanetami.
Główną motywacją ich pracy jest zbadanie orbit protoplanet i sprawdzenie, czy niektóre planety mogłyby przetrwać w dysku przez dłuższy czas. Ich symulacje pokazują, że w bardzo nielicznych przypadkach (około 2%) samotna protoplaneta jest wyrzucana daleko od gwiazdy centralnej, co wydłuża jej żywotność. Ale w większości przypadków (98%) wiele protoplanet jest uwięzionych w szeregu rezonansów orbitalnych i migruje do wewnątrz w mgnieniu oka, czasem nawet łącząc się z gwiazdą centralną.
Cresswell i Nelson twierdzą zatem, że oddziaływania grawitacyjne w roju protoplanet osadzonych w dysku nie mogą zatrzymać migracji do wewnątrz protoplanet. „Problem” migracji pozostaje i wymaga dalszych badań, chociaż astronomowie proponują kilka możliwych rozwiązań. Może być tak, że tworzy się kilka generacji planet i że tylko te, które tworzą się w miarę rozpraszania dysku, przetrwają proces formowania. Może to utrudniać tworzenie gazowych gigantów, ponieważ dysk jest wyczerpany przez materiał, z którego powstają planety gazowe. (Jednak formowanie gigantów gazowych może być nadal możliwe, jeśli wystarczająca ilość gazu znajduje się poza orbitami planet, ponieważ nowy materiał może zamiatać do wewnątrz, aby zostać wydalony przez formującą się planetę). Inne rozwiązanie może być związane z właściwościami fizycznymi dysku protoplanetarnego. W swoich symulacjach astronomowie przyjęli, że dysk protoplanetarny jest gładki i nie turbulentny, ale oczywiście tak nie jest. Duże części dysku mogą być bardziej turbulentne (w wyniku niestabilności spowodowanej przez pola magnetyczne), co może zapobiegać migracji wewnętrznej przez długi czas.
Praca ta łączy się z innymi badaniami nad tworzeniem się układu planetarnego, które są obecnie prowadzone przez europejską sieć naukowców. Nasz pogląd na to, jak kształtują się planety, zmienił się drastycznie w ciągu ostatnich kilku lat, gdy wzrosła liczba nowo odkrytych układów planetarnych. Zrozumienie powstawania gigantycznych planet jest obecnie jednym z głównych wyzwań dla astronomów.
Oryginalne źródło: Astronomy & Astrophysics
