Акреция на планетезимали

Много малките зърна могат да се срещнат в резултат на случайно топлинно движение, наречено Брауново движение. След лек сблъсък повърхностните сили могат да ги задържат заедно. С нарастването на натрупванията утаяването, турбулентността и различното движение в газа предизвикват нови сблъсъци.[2]

Не всички сблъсъци увеличават масата. Натрупванията могат да се уплътнят и отскочат, да загубят материал или да се разпаднат. Резултатът зависи от скоростта на сблъсъка, размера на частиците, порьозността и състава. Начин на растеж, подходящ за един вид прах, може да не е подходящ за друг.[3]

Ледът променя условията, но не премахва проблемите

Отвъд снежната линия на дадено вещество ледът може да стане част от зърно или струпване. Влиянието му върху слепването зависи от веществото и температурата. Думата „леден“ сама по себе си не означава, че всеки сблъсък е мек или че растежът продължава безпрепятствено.[4]

Докато растат, частиците могат да дрейфуват навътре

Там, където налягането на газа намалява с отдалечаването от звездата, поддържаният от налягането газ се движи малко по-бавно от тяло, чиято орбита се поддържа само от собственото му движение. Твърда частица, взаимодействаща с този газ, е подложена на насрещен поток и затова може да дрейфува навътре. Физическият размер на най-уязвимите частици зависи от местните условия в газа.[2]

Терминът „бариера на размера от метър“ обхваща тези трудности при растежа и дрейфа. Това не е универсална пречка, която възниква точно при достигане на размер от един метър, нито на всяка частица ѝ остава еднакво малко време, преди да попадне в своята звезда.[2]

Един обещаващ път на формиране започва със събирането на множество частици, а гравитацията довършва сливането им. Максимумът на налягането може да помогне за улавянето на дрейфуващи твърди частици. При подходящи условия взаимодействието между газа и частиците може допълнително да засили струпването им.[5]

Поточната нестабилност променя самия поток

Прахът е подложен на аеродинамично съпротивление от газа, но на свой ред и той му въздейства. Тази поточна нестабилност възниква вследствие на това взаимно взаимодействие и относителното движение. Тя може да се засилва и без собствената гравитация: първоначално това е начин за струпване на частици, а не самият гравитационен колапс.[6]

Ако струпването стане достатъчно плътно, собствената му гравитация може да преодолее разсейването и разрушителното въздействие на орбиталното срязване. Числените симулации показват, че тогава от струпвания на частици могат да се образуват гравитационно свързани планетезимали. Масата и размерът им зависят от моделирания диск и условията на колапса.[7]

Няма универсален праг за струпване

Важни са всички тези фактори: свързването на частиците с газа, количеството твърдо вещество, турбулентността и фоновият градиент на налягането. Симулациите изследват какви комбинации от тях водят до силно струпване на частици. Установените прагове важат при конкретни условия; само процентното съдържание на прах не може да определи резултата във всеки реален диск.[8], [9]

Представете си две твърди тела, които се приближават едно към друго. Без взаимно привличане повърхностите им биха се докоснали само при движение в тесен диапазон от траектории. Гравитацията извива траекториите им, така че някои тела, които иначе едва биха се разминали, се сблъскват. Това увеличаване на целта за сблъсък се нарича гравитационно фокусиране.[10]

В изолираната задача за две тела само гравитационното отклоняване на траекторията не може трайно да улови тяло, което първоначално не е било гравитационно свързано. За да бъде уловено трайно, сблъсък, съпротивление от газ или взаимодействие с друго тяло трябва да промени съответния енергиен баланс.[11]

Растящото тяло се превръща в по-голяма физическа цел и може да има по-силно гравитационно фокусиране. Когато благодарение на това предимство неговият относителен растеж стане по-бърз от този на по-малките съседни тела, в популацията от тела започва ускорен растеж. Няколко тела започват да се открояват по маса.[12]

Динамичното възбуждане и затихването се конкурират

Гравитационните сближавания засилват хаотичното движение. Газовото съпротивление, нееластичните сблъсъци и обменът на движение между тела с различен размер могат да потиснат или преразпределят това възбуждане. Равновесието между тези процеси променя честотата на сблъсъците и определя дали сближаванията са достатъчно плавни, за да могат телата да се слеят и да натрупат материал.[10]

Зоната на подхранване на едно тяло е областта, от която то може лесно да достигне до материал. Това не е непроменлива граница: разсейването, миграцията и пристигащите твърди частици могат да променят това кой материал е достъпен. Когато материалът от непосредствената околност бъде отстранен, един етап на растеж може да се забави, докато еволюцията на системата продължава.[13]

Акрецията на камъчета използва гравитацията и газовото съпротивление. Когато малка твърда частица премине покрай по-голям зародиш, газовото съпротивление може да забави относителното ѝ движение достатъчно, за да започне тя бавно да пада към зародиша, вместо да отлети след сближаването. При благоприятни условия това може да бъде ефективен начин за увеличаване на масата.[14]

Тези категории описват процесите на растеж и аеродинамичното поведение, а не универсална скала, която разделя частиците според един точно определен диаметър.[15], [12]

Самото попадане в гравитационната област не е достатъчно

Величината, наречена радиус на Хил , описва мащаба, при който гравитацията на зародиша се конкурира с приливното влияние на звездата. Мащабът на Бонди позволява да се сравни влиянието на гравитацията с газовото налягане или с относителното движение по време на сближаването на телата — в зависимост от разглеждания проблем. Нито един от двата мащаба не е повърхност, която автоматично улавя всичко, преминаващо през нея.[15]

Успешното улавяне на камъчета зависи от съчетанието на силата на съпротивлението, продължителността на сближаването на телата и гравитационното влияние на зародиша. Следователно акрецията на камъчета изисква вече формиран зародиш; сама по себе си тя не обяснява как от микроскопични зърна се е образувал първият зародиш.[14]

Доставката на материал също не е неограничена. Други тела може да прихванат дрейфуващия материал, а планета с достатъчно голямо влияние може да промени профила на налягането в диска и да възпрепятства движението на камъчетата навътре. Дори механизмът на бързия растеж зависи от материала, който достига до него.[16]

Скоростта и ъгълът на удара, съотношението на масите и вътрешният строеж определят изхода от сблъсъка. Затова, ако всеки сблъсък се приема за пълно сливане, може да се получи погрешна представа за образуването на планетите.[17]

Тези изходи образуват непрекъсната последователност. Някои фрагменти може да се върнат или по-късно да бъдат погълнати от други тела, докато други се отстраняват от локалния процес на растеж.[17]

Вътрешността на малките тела също има своя история на развитие

Ранните планетезимали може да са били нагрявани от радиоактивен разпад, особено от разпада на алуминий-26. Някои са се стопили и диференцирали на богати на метали ядра и скалисти външни слоеве; в други са протекли реакции между вода и минерали. Така сравнително малко тяло може да е станало химически сложно много преди да се образуват окончателните планети.[18], [19]

Астероиди като „Bennu“ може да съхраняват ранни съставки и същевременно да свидетелстват за измененията и разрушаването на по-голямо родителско тяло. Изследването на тези промени помага да се възстанови произходът им.[19]

В лабораториите се изследва поведението при контакт

Експериментите установяват кога агрегатите се слепват, отскачат, уплътняват или разпадат. Тези резултати ограничават моделите на сблъсъци, които изследователите впоследствие прилагат към различни условия в диска. Един експеримент може да провери поведението на материала, без да възпроизвежда цялата планетна система.[3]

„Arrokoth“ свидетелства за сливане при ниска скорост

Сондата „New Horizons“ посети обект от пояса на Кайпер „Arrokoth“ през 2019 г. В анализ, публикуван през 2020 г., сдвоените му дялове и други характеристики бяха приети за признаци на сливане при ниска скорост, съвместими с образуване вследствие на локален колапс на облак. Това е ценно ограничение за моделите на ранното натрупване на тела, а не еднозначно доказателство за потокова нестабилност.[20]

Събраните проби разкриват както съставките, така и промените в тях

През 2023 г. сондата OSIRIS-REx донесе материал от астероида „Бенну“. При първоначалното изследване на пробата, оповестено през 2024 г., бяха открити материали с високо съдържание на въглерод и минерали, свидетелстващи за изменения, свързани с вода, в родителското му тяло. В пробите се е запазила информация както за съставките, така и за процесите, на които са били подложени.[19]

Пробите от астероида „Рюгу“, донесени от сондата „Хаябуса2“, също разкриват значителни изменения, настъпили под въздействието на вода. Тези открития показват защо „древен“ и „непроменен“ са различни твърдения: историята, записана в минералите, може да е също толкова информативна, колкото и първоначалният материал.[21]

Далечните дискове разкриват средата, но не и всеки градивен елемент

С телескопи могат да се картографират струпванията на прах в млади дискове и прахът, образуван при сблъсъци в по-стари системи от отломки. Обикновено те не позволяват да се разграничат отделни планетезимали с размери от километри в далечни системи. Изследователите сравняват тези косвени признаци с модели и едновременно проверяват дали същите наблюдения биха могли да се обяснят с различни физични процеси.[22], [23]

Планетезималите и планетарните зародиши, образувани от тях, могат да станат част от скалистите планети и твърдите ядра на гигантските планети. Относителното значение на натрупването на планетезимали, улавянето на камъчета и сливането на зародиши може да се различава в отделните системи.[13]

Гигантските планети трябва да натрупат газ, докато все още има такъв

Не е необходимо ядрото да достигне единен универсален праг от десет земни маси, за да може изобщо да задържа газ. Образуването на масивна газова обвивка зависи от охлаждането, продължаващото натрупване на твърдо вещество и запасите от газ в диска. Затова растежът на гигантската планета трябва да е съвместим с развитието и продължителността на живота на нейния диск.[24]

Скалистите светове могат да продължат да се формират и след разсейването на газа

Зародишите могат да продължат да се разсейват и сблъскват дори след изчезването на по-голямата част от първичния газ. Материал, донесен от други места, може да достави водосъдържащи минерали, лед и органични съединения. Приносът на тези материали и времето на доставянето им се различават; произходът на водата на Земята не може да се обясни с един универсален източник, общ за всички планети.[13]

Част от материала остава в по-малките тела

Не всеки зародиш става част от голяма планета. Останалите популации от малки тела претърпяват сблъсъци, а орбитите им се променят; понякога така се образуват наблюдаемите пояси от отломки. Тези оцелели тела позволяват да се изследва резултатът от формирането на планетите, който лесно може да остане незабелязан, когато цялото внимание е насочено само към най-големите светове.[23]