Ilustracja przedstawiająca model pokazujący, jak gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz, Saturn czy Uran, mogą również szybko powstawać w Układzie Słonecznym z pyłu dysku protoplanetarnego, a następnie wypychać pył w obszary poza ich orbitą. Źródło: © Thomas Zankl / Crushedeyesmedia / LMU
Naukowcy opracowali nowy model powstawania planet, który pokazuje, jak zaburzenia w dyskach protoplanetarnych mogą szybko tworzyć gazowe olbrzymy. Proces ten jest bardziej wydajny niż wcześniej sądzono i jest zgodny z najnowszymi obserwacjami odległych gazowych gigantów.
Naszym najbliższym kosmicznym sąsiedztwem jest nasz Układ Słoneczny. Wiemy to dobrze: Słońce w centrum; potem skaliste planety Merkury, WenusZiemia i Mars; a potem pas asteroid; a za nimi gazowe olbrzymy Jowisz I Saturn; potem lodowi olbrzymy Uran I Neptun; i wreszcie Pas Kuipera z kometami.
Ale jak dobrze tak naprawdę znamy swój dom? Poprzednie teorie zakładały, że planety-olbrzymy powstają w wyniku zderzeń i nagromadzeń ciał niebieskich przypominających asteroidy, tak zwanych planetozymali, oraz późniejszej akrecji gazu na przestrzeni milionów lat. Jednak modele te nie wyjaśniają ani istnienia gazowych olbrzymów znajdujących się daleko od swoich gwiazd, ani powstawania Urana i Neptuna.
Innowacyjny model powstawania planet
Astrofizycy z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium (LMU), gromady ORIGINS i Instytutu Badań nad Układem Słonecznym Maxa Plancka (MPS) opracowali pierwszy w historii model uwzględniający wszystkie niezbędne procesy fizyczne odgrywające rolę w powstawaniu planet. Korzystając z tego modelu, wykazali, że perturbacje pierścieniowe w dyskach protoplanetarnych, tzw. podstruktury, mogą powodować szybkie powstawanie wielu gazowych gigantów. Wyniki badania pokrywają się z najnowszymi obserwacjami i wskazują, że powstawanie planet-olbrzymów może zachodzić wydajniej i szybciej, niż wcześniej sądzono.
„Kiedy planeta staje się wystarczająco duża, aby wpłynąć na dysk gazowy, prowadzi to do ponownego wzbogacenia pyłu w dalszej części dysku. W trakcie tego procesu planeta wypycha pył – niczym pies pasterski goniący swoje stado – w obszar poza własną orbitą”.
— Prof. Til Birnstiel
Dynamiczne gromadzenie się pyłu i wzrost planet
Za pomocą swojego modelu naukowcy pokazują, w jaki sposób cząstki pyłu wielkości milimetrów gromadzą się aerodynamicznie w turbulentnym dysku gazowym oraz w jaki sposób to początkowe zaburzenie w dysku wychwytuje pył i zapobiega jego znikaniu w kierunku gwiazdy. Ta akumulacja sprawia, że rozwój planet jest bardzo wydajny, ponieważ nagle na zwartym obszarze dostępnych jest dużo „materiału budowlanego” i występują odpowiednie warunki do formowania się planet.
Do Birnstiela. Źródło: Jan Greune / LMU
„Kiedy planeta staje się wystarczająco duża, aby wpłynąć na dysk gazowy, prowadzi to do ponownego wzbogacenia pyłu w dalszej części dysku” – wyjaśnia Til Birnstiel, profesor astrofizyki teoretycznej na LMU i członek Klastra Doskonałości ORIGINS. „W tym procesie planeta wypycha pył – niczym pies pasterski goniący swoje stado – w obszar poza własną orbitą”. Proces rozpoczyna się od nowa, od wewnątrz na zewnątrz, i może uformować się kolejna gigantyczna planeta. „Po raz pierwszy symulacja prześledziła proces, w wyniku którego drobny pył rośnie w planety-olbrzymy” – zauważa Tommy Chi Ho Lau, główny autor badania i doktorant na LMU.
Implikacje dla powstawania gazowych gigantów
W naszym Układzie Słonecznym gazowe olbrzymy znajdują się w odległości od około 5 jednostek astronomicznych (Jowisz) do 30 jednostek astronomicznych (Neptun) od Słońca. Dla porównania Ziemia znajduje się około 150 milionów kilometrów od Słońca, co odpowiada 1 au.
Badanie pokazuje, że w innych układach planetarnych zaburzenie może wprawić proces w ruch na znacznie większe odległości i nadal zachodzić bardzo szybko. Takie systemy były w ostatnich latach często obserwowane przez ALMA obserwatorium radiowe, które odkryło gazowe olbrzymy w młodych dyskach w odległości ponad 200 au. Jednak model wyjaśnia również, dlaczego nasz Układ Słoneczny najwyraźniej przestał tworzyć dodatkowe planety po Neptunie: materiał budowlany został po prostu zużyty.
Wyniki badania pokrywają się z bieżącymi obserwacjami młodych układów planetarnych, które mają wyraźne podstruktury w swoich dyskach. Podstruktury te odgrywają decydującą rolę w powstawaniu planet. Badania wskazują, że powstawanie planet-olbrzymów i gigantów gazowych przebiega z większą wydajnością i szybkością, niż wcześniej zakładano. Te nowe odkrycia mogą udoskonalić naszą wiedzę na temat pochodzenia i rozwoju planet-olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym oraz wyjaśnić różnorodność obserwowanych układów planetarnych.
Odniesienie: „Sekwencyjne powstawanie gigantycznych planet inicjowane przez podstrukturę dysku” Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska i Sebastian Markus Stammler, 31 lipca 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202450464
