Формиране на каменисти светове

Дискът на млада звезда обикновено е по-горещ по-близо до звездата, макар че нагряването се променя и в зависимост от височината, акрецията и сенките. Силикатните минерали и металите могат да останат твърди при температури, при които много летливи вещества са газообразни. Тези топлоустойчиви, или рефрактерни, вещества съставляват голяма част от масата на скалистите планети.[2]

Снежната граница зависи от конкретното вещество

Така наречената снежна граница на водата бележи прехода между водната пара и водния лед при местните условия. Въглеродният диоксид и въглеродният оксид имат свои преходи. С промяната на диска тези граници се преместват; няма постоянно разстояние, което да отделя всички скали от целия лед.[3]

Материалът без лед не е непременно лишен от водород или от всички водосъдържащи вещества. Част от тях може да е свързана в минерали или други твърди фази, а материалът може да пристигне от друго място. Химичният състав на диска и преносът на материал усложняват представата за равномерно сух вътрешен регион.[4], [5]

Сегашната орбита на планетата не е свидетелство за раждането ѝ

Твърдият материал дрейфува, телата гравитационно разсейват едно друго, а растящите планети обменят ъглов момент с диска. Затова един скалист свят може да натрупа материал от няколко области и в крайна сметка да се окаже на орбита, различна от тази, на която са се образували най-ранните му зародиши.[6]

Първо прахът трябва да премине през сложни етапи на слепване, раздробяване и дрейф. Струпванията от частици могат да колапсират под действието на собствената си гравитация и да образуват планетезимали. Вече образувалите се зародиши могат впоследствие да нарастват чрез сблъсъци с планетезимали, чрез улавяне на камъчета с помощта на газа или и по двата начина.[2]

Гравитационното фокусиране може да помогне на по-големите тела да се сблъскат с повече материал. При ускорен растеж някои тела нарастват пропорционално по-бързо от по-малките си съседи. С течение на времето гравитационното им влияние възбужда движението на околните тела, което увеличава скоростта на сближаванията и отслабва предишното им предимство.[7]

Най-големите тела започват да владеят средата си

При олигархичния растеж няколко зародиша с приблизително сходна маса започват да доминират в съседни области на натрупване на материал. Те смущават движението на по-малките тела и ги поглъщат, като същевременно ограничават непосредствено достъпните запаси от материал един за друг. Пристигащият отвън материал все пак може да промени това равновесие.[8]

Съпротивлението на газа и гравитационното взаимодействие с диска могат да потиснат орбиталното възбуждане, а въртящите моменти на диска могат да предизвикат миграция. Докато все още има газ, зародишите могат да се сблъскват или да се заключват в конфигурации на взаимно свързани орбити. С разсейването на газа някои конфигурации стават нестабилни и са възможни нови близки сближавания.[6]

Сблъсъкът между планетни зародиши може да промени формата и на двете тела. В зависимост от скоростта, ъгъла и съотношението на масите те могат да се слеят, да обменят материал и да се разделят или да загубят голямо количество материал под формата на отломки. Освободената енергия може да разтопи или изпари скали и да промени атмосферата. След гигантски сблъсък не винаги остава една по-голяма, цялостна планета.[9]

Тези възможности зависят от конкретния сблъсък. Моделирането на всеки сблъсък като пълно сливане не отчита важни възможни изходи.[9]

Луната свидетелства за едно особено важно събитие

Основната група модели за произхода на Луната свързва образуването ѝ с гигантски сблъсък, който е преживяла растящата Земя. Изследователите проверяват сценариите за сблъсъка чрез движението на системата Земя-Луна, състава на Луната и изотопните измервания. Свойствата на ударилото се тяло, геометрията на сблъсъка и последващото развитие продължават да бъдат активно изследвани.[10]

Различните часовници отчитат различни етапи на нарастване

Според много модели Земята се е образувала в продължение на десетки милиони години. Изглежда, че Марс е натрупал по-голямата част от масата си по-рано, но точният ход на нарастването му зависи от това как се тълкуват изотопните данни и химичното смесване по време на сблъсъците.[7], [11]

Разсейването на газа, гигантските сблъсъци, образуването на ядрото и изстиването протичат едновременно. Няма универсална последователност, при която един процес навсякъде да завършва, преди да започне следващият.

Растящите планети имат няколко източника на топлина. Сблъсъците превръщат енергията на движението в топлина, гравитационното разделяне на материала освобождава енергия, а радиоактивните елементи се разпадат. Алуминий-26 е бил особено важен за телата, образували се достатъчно рано, за да съдържат значително количество от този краткоживеещ изотоп.[13]

Железните метеорити показват, че някои ранни планетезимали вече са имали метални ядра, образувани вследствие на диференциация. Следователно планетата може да се е образувала от тела, в които съставните материали са започнали да се разделят много преди планетата да достигне крайната си маса.[14]

Диференциацията протича с нарастването на планетата

Когато металът може да се отдели от силикатния материал, плътната метална течност може да се придвижи към центъра и да допринесе за образуването на ядрото. Силикатите около него съставляват по-голямата част от мантията. Химичните реакции, налягането, температурата и количеството кислород влияят върху разпределението на елементите между тези области.[15]

Магменият океан е етап, а не постоянно състояние на мантията

Интензивното нагряване може да образува обширни области от разтопени силикати, понякога наричани магмен океан. При охлаждането могат да се образуват кристали, химичните вещества се преразпределят и може да протича обмен на летливи вещества с атмосферата. По-късни удари могат отчасти отново да разтопят тялото и да задействат някои от тези процеси. Образуването на кората и последващото разтопяване продължават да преобразуват външната част на планетата.[13]

Подложени на постоянно напрежение в продължение на дълъг геоложки период, твърдите скали също могат бавно да текат. В мантията протича конвекция, но тя не е непременно океан от течна магма, обхващащ цялата планета.[16]

Водата може да достигне планетата не само след като тя вече е завършила растежа си. Изходни вещества, съдържащи водород, пристигащи богати на вода тела и химичен обмен по време на акрецията могат да допринесат за водните ѝ запаси. Относителното значение на тези източници все още се изследва.[5]

Терминът „късна добавка“ (на английски late veneer) описва сравнително малко количество добавено вещество след основния етап на образуване на ядрото, чийто мащаб се определя отчасти от данни за химичния състав на мантията. Този термин не бива да се използва за цялото доставяне на вода на Земята.[17]

Водните запаси на планетата могат да включват и вода, разтворена в стопилка или съдържаща се в минералите. Само видимите морета не разкриват всичко, което планетата е придобила или запазила.[18]

Докато газовете в диска още не са се разсеяли, растящите тела могат да привличат водород и хелий. Отделянето на газове от недрата и ударите също могат да обогатят атмосферата с газове; задържането им зависи от масата на тялото, температурата и активността на звездата.[19]

Отделянето на газове и охлаждането си влияят взаимно

При промяна на условията от разтопените недра могат да се отделят газове. Те влияят на това колко ефективно планетата отдава топлина в космоса. Плътна атмосфера от водни пари може да забави охлаждането; ако условията са подходящи, при последващото охлаждане водата може да кондензира. Еволюцията на атмосферата е свързана с процесите под нея.[18]

Атмосферите също могат да губят материя

Звездното излъчване и ударите могат да отнемат газовете от атмосферата. Високо в атмосферата молекулите на водата могат да се разпаднат, а водородът да избяга в космоса; първоначалните водни запаси не е задължително да се запазят.[19]

Разглеждаме тези изисквания по-подробно в статията „Понятието за обитаема зона“. Тук най-важната връзка е, че повърхността на планетата наследява както последиците от натрупването на материя при формирането ѝ, така и от по-късните промени.

Масата и радиусът помагат за по-точна оценка на състава

Транзитите помагат да се измери радиусът на планетата спрямо радиуса на звездата ѝ. Движението на звездите, а в подходящи системи и взаимодействията между планетите, помагат да се определят границите на масата. От масата и радиуса заедно се изчислява средната плътност, която може да се сравни с модели на скали, метали, вода и газове.[21]

На една и съща измерена маса и радиус могат да съответстват няколко различни вътрешни структури. Дори малка газова обвивка може значително да промени размера на планетата. Затова получените оценки за недрата на планетата са интервали, основани на данни и допускания, а не пряк поглед към ядрото.[21]

Изобилието на химични елементи в звездите дава допълнителни насоки за наличните количества желязо, силиций и магнезий. Използвани заедно с масата и радиуса, тези данни могат да стеснят набора от вероятни модели на вътрешния строеж, макар че остават неясноти относно състава и преобразуванията на веществата, протекли на планетата.[22]

Звездните останки разкриват химичния състав на разрушените тела

Някои бели джуджета са привлекли отломки от планетни тела. Линиите на поглъщане на тежки елементи в спектрите на атмосферите им позволяват на астрономите да възстановят някои характеристики на състава на този материал. Резултатите разкриват съставките на скалисти тела извън Слънчевата система, а в някои случаи и признаци на диференциация. Те обаче не позволяват еднозначно да се установи къде се е формирало първоначалното тяло.[24]

Прахът дава косвени доказателства за протичащи сблъсъци

Дисковете от отломки може да съдържат прах, чиито запаси се попълват при сблъсъци между по-големи тела. Топлият прах може да свидетелства за активност на твърди тела близо до звездата, но сам по себе си не е достатъчен, за да се установи сблъсък, довел до образуването на планета от земен тип, или да се докаже наличието на скалиста планета там.[25]

„Психея“ ще изследва възможен остатък от ранната диференциация

Космическият апарат на НАСА „Психея“ е предназначен да изследва от орбита избран богат на метали астероид - да измери състава, гравитацията и магнитните му свойства. Една от целите е да се провери дали астероидът съдържа материал от ядрото на планетезимал. Точният му произход остава открит въпрос.[26]

Моделите на формиране трябва да обясняват цели системи: броя на планетите, масите им, разстоянията помежду им, състава им и оцелелите по-малки тела. Промените в разпределението и притока на твърд материал, влиянието на гигантските планети или времето на миграция могат да променят едновременно няколко резултата от формирането.[1]

Само по орбитата на планетата не можем да разберем как са протекли тези процеси.[1], [9], [19]

Полезният модел на формиране не просто възпроизвежда една позната планета. Той прави прогнози, които могат да се сравнят с данни от метеорити, измервания на планети, наблюдения на дискове и все по-голямото разнообразие от екзопланетни системи.[1]