Формирование планет и протопланетные диски

Астрофизик Сергей Попов об образовании планетных систем, снеговой линии и облаке Оорта

11.02.2015
6 142
Этот материал является частью курса «Экзопланеты»
Как открытие экзопланет изменило представление об образовании планетных систем? Как происходит миграция планет в протопланетном диске? Какие вопросы встают перед исследователями при изучении процесса образования планет? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Мы знаем, что звезды рождаются и умирают. Соответственно, вместе со звездами рождаются планетные системы. Общая картина качественно понятна начиная с XVIII века: в космосе есть облака газа и пыли, под действием собственной гравитации они начинают сжиматься, в какой-то момент выделяется центральный объект, который станет звездой, и диск вокруг. В этом диске и будет образовываться планетная система и всякая мелочь: кометы, астероиды, что там еще может летать в планетной системе.

Качественно эта картина действительно не изменилась за прошедшее время, но в ней есть, во-первых, довольно много тонкостей, а во-вторых, есть много новостей, связанных в первую очередь с открытием разных типов экзопланетных систем. Первая тонкость, с которой мы познакомимся, — это так называемая снеговая линия. Идея фантастически проста: если у нас зима, весна, лето, осень бывают во времени, то в протопланетном диске они в пространстве. В том смысле, что ближе к звезде всегда лето, а далеко от звезды всегда зима. Соответственно, где-то проходит граница. Граница называется снеговой линией. Ближе к звезде невозможно существование льда, дальше — невозможно существование соответствующих газов в виде газов.

Звездное население галактикиАстроном Алексей Расторгуев о возрасте звезд, свойствах галактического диска и рассеянных звездных скоплениях

Лед бывает не только водяной. Например, в планетных системах есть лед из окиси углерода, то есть CO, и всяких углеводородов. Могут встречаться самые разные льды, но граница проходит примерно в одном месте для разных типов льдов. Если мы возьмем звезду типа Солнца, то снеговая линия проходит примерно на пяти астрономических единицах.

Что это означает для образования планет? Это означает, что вначале, когда в принципе вещество в диске перемешано, диск можно разделить на три основные части. Ближе к звезде вещества не слишком много, диск достаточно тонкий, льдов там нет, газы оттуда довольно активно выметаются, и там должны образовываться маленькие каменные тела. Маленькие — это Земля, Марс, Венера, Меркурий. Находясь далеко от звезды, могут существовать льды, и там будут образовываться ледяные тела: от маленьких, которые потом станут кометами, до больших, таких как Уран и Нептун, например. И наконец, в середине, где очень много вещества, очень много газа, образуются гигантские планеты. В нашей планетной системе это Юпитер и Сатурн.

В принципе, так выглядит старая картина образования планетной системы: разные группы планет образуются на разных расстояниях, и сейчас мы их там и видим. Система получается довольно плоской просто потому, что она образуется из плоского протопланетного диска. Но открытия экзопланет показали, что эта картина неполна. Качественно она, безусловно, верна — мы видим протопланетные диски вокруг разных звезд. С помощью новой системы телескопов ALMA мы прямо видим снеговую линию. Мы видим границу, внутри которой CO существует в виде газа, а снаружи вымерзает и существует в виде льда. Мы видим много других удивительных вещей о протопланетных дисках.

Здесь надо сделать важный комментарий: существует два типа дисков, которые очень часто путают. Есть протопланетные диски, в которых будут или сейчас образуются планеты, и есть так называемые остаточные диски. И те и другие видны вокруг молодых звезд, но остаточные диски — это то, что осталось после образования планетной системы. Они существуют по двум причинам. Во-первых, не вся пыль вошла в состав каких-то тел в образовавшейся планетной системе. Во-вторых, остаточные диски постоянно подпитываются за счет столкновения комет и астероидов, при этом летят осколки, осколки сталкиваются друг с другом, это доходит до состояния пыли. Поэтому в течение какого-то времени, пока активные столкновения в диске не закончатся, существует второй тип дисков, и, действительно, путать их не надо.

Если мы видим диск вокруг звезды, это вовсе не означает, что там сейчас образуются планеты.

Может быть, они образовались несколько миллионов лет назад, и остался остаточный диск.

Качественно эта картина находит свое подтверждение, но появились новые данные. Люди стали открывать экзопланеты, и одним из самых удивительных фактов стало то, что люди начали открывать гигантские газовые планеты или газово-ледяные планеты очень близко от звезд. Очень близко — это на расстоянии менее одной астрономической единицы. Иногда период обращения такой планеты вокруг звезды составляет буквально дни или часы. Это совершенно удивительно, потому что эти планеты не должны там образовываться. Не то что не должны — не могут. Значит, нужно что-то придумать. Если мы посмотрим на статистику архитектуры планетных систем, то увидим, что все-таки общее правило выполняется. Маленькие планеты находятся ближе к звезде, большие планеты находятся дальше. Все это может происходить на маленьких расстояниях — не как у нас в Солнечной системе, а гораздо короче. Но выглядит все это так, как будто мы взяли Солнечную систему и, например, поджали. Значит, нужно придумать какой-то способ, который позволит планетам, планетной системе просто ужаться. И люди, конечно же, такой способ придумали, иначе зачем существуют теоретики. Связано это с поведением планет в газовом диске.

Когда планета крутится в газовом диске — вначале рассмотрим маленькую планету, — она будет очень эффективно тормозиться в этом диске и, вообще говоря, будет быстро двигаться к звезде. Торможение орбитального вращения довольно забавная штука: вы тормозите объект, а он двигается все быстрее и быстрее. Это происходит потому, что объект двигается под действием силы тяжести. Если мы, скажем, сравним скорости вращения Земли и Меркурия вокруг Солнца, то Меркурий вращается быстрее. Но чтобы с Земли попасть на орбиту Меркурия, объект нужно тормозить, нужно отбирать у него энергию и орбитальный момент, и тогда он подойдет ближе к Солнцу.

FAQ: Образование планетных систем7 фактов о формировании скоплений звезд и различных незвёздообразных астрономических объектов

То же самое происходит в протопланетном диске: планета тормозится, она обменивается орбитальным моментом с газом, ускоряет часть газа, сообщает ему дополнительный угловой момент, а сама планета движется ближе к звезде. Если планета достаточно массивная, то образуется очень интересная структура. Планета движется в диске. И давайте рассмотрим две частицы: одна находится дальше в диске, другая — ближе к звезде. Частица, которая находится дальше в диске, движется медленнее, и планета ее как бы подтягивает к себе — она двигается с большей скоростью. Подтягивая ее, планета ускоряет частицу, сообщает ей угловой момент. Частица хочет удалиться от планеты, уйти еще дальше наружу. Планета при этом тормозится и хочет пойти к звезде.

Взаимодействие с частицей, которая находится ближе к звезде, имеет противоположный характер: частица двигается быстрее, соответственно, планета подтягивается к этой частице. Планета тормозится, угловой момент передается от частицы к планете, и планета двигается ближе к звезде. Но при этом сама внутренняя частица тоже от планеты стремится удалиться, и вокруг планеты образуется щель. Чем массивнее планета, тем большую щель она может создать, и эта щель в диске становится такой же широкой, как толщина диска. И тогда образуется, действительно, пустое место. Немножко вещества течет сквозь планету, она служит как бы мостом между двумя частями диска, разделенного щелью, и это было удивительное предсказание. Сейчас мы эти щели прямо видим в протопланетных дисках. Опять-таки система ALMA, которая позволяет изучать протопланетные диски с фантастическим угловым разрешением, показывает фантастически мелкие детали, прямо показывает темные колечки в протопланетном диске, соответствующие этим щелям, которые создаются массивными планетами.

Планета, взаимодействуя с диском, в принципе может двигаться и к звезде, и от звезды. Но в стандартных дисках, в нормальной ситуации оказывается, что планета всегда движется к звезде. Таким образом, массивные планеты тоже могут мигрировать, и в основном это миграция в сторону звезды. Таким образом, появился хороший механизм, который позволяет объяснить эту архитектуру планетных систем: почему газовые планеты, которые образовались где-то далеко, на расстоянии 2–3 астрономические единицы, подъехали близко к звезде, иногда на расстояние в 0,02–0,03 астрономические единицы. И то же самое с ледяными планетами и всякими другими объектами, которые не могли образоваться очень близко от звезды.

Но чтобы планета начала мигрировать, вообще ее нужно создать. Это непростой процесс, и здесь есть много непонятных деталей.

С чего все начинается? Вначале диск, действительно, состоит из газа и пыли. Пылинки начинают слипаться — это довольно быстрый, легко идущий процесс, и мы быстро получаем объект размером в миллиметр или сантиметр. А дальше возникает проблема. Такие объекты — сантиметровые, десятисантиметровые — очень быстро тормозятся в диске. И хотя они пытаются расти дальше, они очень быстро двигаются к звезде. И существует проблема: скорость движения их по диску слишком велика, они не успевают набрать массу.

Как обойти эту проблему, доподлинно неизвестно. Одна из идей состоит в том, что нет непрерывного увеличения массы от сантиметровых размеров до метровых. Метровые частицы уже не двигаются быстро по диску, там этой проблемы не существует. Возможно, в результате гравитационного взаимодействия довольно быстро окукливаются тела, скажем, километрового размера. Они уже не чувствуют этот газовый диск, ветер в диске, который будет их сильно тормозить, и тогда образование планет может идти дальше. Или же, наоборот, какие-то аэродинамические процессы в диске помогают образованию больших тел. «Большие» означает километровые тела. И это позволяет преодолеть барьер размеров от десятков сантиметров до метра, где частицы очень быстро двигаются к звезде.

Итак, мы создали частицы примерно километрового размера. Они называются красивым словом «планетезималь». Скажем, Word этого слова не знает, всегда его подчеркивает. А может быть, он подчеркивает, потому что считает его тоже очень красивым. Итак, образовались эти километровые планетезимали. Дальше процесс идет легко: эти объекты сталкиваются, сталкиваются они не с очень большими скоростями, потому что они близко друг к другу двигаются в диске, и при столкновении осколки не разлетаются сильно, и тела растут. При этом происходит так называемый олигархический рост, потому что рост объектов сильно зависит от их размера. Чем больше объект, тем быстрее он растет, и довольно быстро, за десятки миллионов лет, объект успевает вырасти до размера планеты типа Земли или немного больше. Этот кусок, от километра до сверхземли, проходится легко.

Система ЮпитераАстроном Дмитрий Титов об особенностях спутников Юпитера, возможности появления на них жизни и космической экспедиции JUICE

Дальше снова начинаются проблемы, потому что, если мы возьмем объект с массой 20 масс Земли, поместим его в газовый диск, он превратится в Юпитер. Он быстро наберет большую газовую оболочку. Но его надо успеть быстро создать. Почему быстро? Потому что диск рассеивается, у диска достаточно короткое время жизни, и это проблема. То есть создать планету с массой Юпитера в такой стандартной модели набора массы оказывается довольно тяжело, поэтому люди снова придумывают обходные пути. Одним из них снова является быстрое окукливание крупных тел. На этот раз из-за фрагментации диска, из-за неустойчивости, которая возникает в протопланетном диске. Возможно, большие планеты действительно образуются таким способом, и это позволяет преодолеть проблему короткого времени рассеивания диска.

Итак, планеты образовались, как-то помигрировали. Что дальше? Посмотрим на Солнечную систему. В Солнечной системе гигантские планеты тоже мигрировали, но мигрировали очень интересным способом: вначале все они немного двигались внутрь Солнечной системы, пока они были в диске, а потом все они начали двигаться наружу. И Уран, и Нептун сейчас находятся гораздо дальше, чем те места, то расстояние от Солнца, на котором они образовались. Это связано со следующим процессом — со взаимодействием крупных планет с мелкими оставшимися телами, то есть с телами размером с комету и астероид. Большие тела рассеивают мелкие тела и выбрасывают их в разные стороны. В зависимости от того, куда выбросили, меняется угловой момент, орбитальный момент планеты, и она двигается или ближе к звезде, или дальше от звезды. Естественно, чем крупнее планета, тем сильнее она может рассеивать эти самые частицы.

Именно таким способом в Солнечной системе образовались две важные структуры: пояс Койпера и облако Оорта. Пояс Койпера — это пояс из больших ледяных в основном тел размером с Плутон или чуть поменьше. Пояс Койпера образовался в первую очередь благодаря действию Урана и Нептуна. Они навыкидывали туда тел — они выкидывали тела и внутрь, и это приводило к тому, что они двигались наружу. Появление пояса Койпера связано с действиями этих тел, в основном Нептуна. Но выбрасывать тела на большое расстояние Уран и Нептун не могли, а вот Юпитер мог.

Другая важная структура — облако Оорта, гигантское облако комет, содержащее около 100 миллиардов кометных ядер, — появилась благодаря действию Юпитера. Юпитер мог выбрасывать объекты километрового или десятикилометрового размера на большие расстояния, и в итоге, благодаря динамической эволюции системы, благодаря воздействию галактического потенциала и потенциала ближайших к Солнцу звезд, образовалось примерно симметричное большое кометное облако, которое как раз и очерчивает границы Солнечной системы. Грубо — это примерно половина расстояния до ближайших звезд, примерно 100 тысяч астрономических единиц. На самом деле планетные системы большие, просто все массивные тела находятся достаточно близко к центру, как это происходит, например, в нашей планетной системе.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Узнал сам? Поделись с друзьями!
  • Maria Maria

    А как понять, что Солнечная система закончилась?

  • На этот счет еще нет устоявшегося мнения, но есть конкурирующие определения. Например, после гелиопаузы или после головной ударной волны. Обсуждение некоторых аспектов этого в контексте (не)покидания Солнечной системы Вояджером можно послушать тут http://serious-science.org/videos/1793

  • Алексей

    Я стал интересоваться астрономией из-за этого человека. Спасибо!

  • Maria Maria

    Спасибо!

  • MechanicalCat

    Да, многим нужно поучиться излагать материал так, как Сергей Попов!

    Опубликовано материалов
    03586
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    12 442
  • 2
    ПостНаука
    3 929
  • 3
    Михаил Соколов
    2 519
  • 4
    Андрей Цатурян
    2 378
  • 5
    Татьяна Тимофеева
    2 360
  • 6
    Роман Бевзенко
    1 420
  • 7
    Сергей Афонцев
    1 382
  • Новое

  • 3 929
  • 669
  • 2 360
  • 1 382
  • 1 420
  • 2 519
  • 12 442
  • 2 378