Akrecija planetezimala

Veoma sitna zrnca mogu se susretati usljed nasumičnog toplotnog kretanja, zvanog Braunovo kretanje. Nakon blagog sudara, površinske sile mogu ih držati zajedno. Kako nakupine rastu, taloženje, turbulencija i neujednačeno kretanje kroz gas izazivaju nove sudare.[2]

Ne visi takvi sudari povećavaju masu. Nakupine se mogu sabiti i odbiti, izgubiti materijal ili se raspasti. Ishod zavisi od brzine sudara, veličine čestica, poroznosti i sastava. Način rasta koji odgovara jednoj vrsti prašine možda neće odgovarati drugoj.[3]

Led mijenja uslove, ali ne uklanja problem

Iza snježne linije neke materije, led može postati dio zrna ili nakupine. Njegov uticaj na sljepljivanje zavisi od materije i temperature. Riječ „ledeni“ sama po sebi ne znači da je svaki sudar blag ili da se rast nastavlja bez prepreka.[4]

Čestice mogu driftati dok rastu

Tamo gdje se pritisak plina smanjuje udaljavanjem od zvijezde, plin podržan pritiskom kruži malo sporije od tijela koje u orbiti zadržava samo vlastito kretanje. Čvrstu česticu koja stupa u interakciju s tim plinom pogađa nasuprotni tok, pa može driftati prema unutra. Fizička veličina najugroženijih čestica zavisi od lokalnih uslova u plinu.[2]

Izraz „barijera veličine jednog metra“ obuhvata ove poteškoće rasta i drifta. To nije univerzalna prepreka koja se javlja kada se dosegne tačno jedan metar, niti svakoj čestici preostaje jednako malo vremena prije nego što završi u svojoj zvijezdi.[2]

Jedan obećavajući put formiranja počinje okupljanjem velikog broja čestica, a gravitacija dovršava njihovo spajanje. Maksimum pritiska može pomoći u zadržavanju čvrstih čestica koje driftaju. Pod odgovarajućim uslovima, interakcija plina i čestica može dodatno pojačati njihovo grupisanje.[5]

Strujna nestabilnost mijenja samo strujanje

Na prašinu djeluje aerodinamički otpor plina, ali i ona zauzvrat djeluje na plin. Ova strujna nestabilnost nastaje zbog te uzajamne interakcije i relativnog kretanja. Može jačati i bez vlastite gravitacije: u početku je to način grupisanja čestica, a ne sam gravitacijski kolaps.[6]

Ako nakupina postane dovoljno gusta, njena vlastita gravitacija može nadvladati raspršivanje i razorno djelovanje orbitalnog smicanja. Numeričke simulacije pokazuju da tada iz nakupina čestica mogu nastati gravitacijski vezani planetesimali. Njihova masa i veličina zavise od uslova diska i kolapsa u modelu.[7]

Ne postoji univerzalni prag grupisanja

Svi ovi faktori su važni: sprega između čestica i plina, količina čvrste materije, turbulencija i pozadinski gradijent pritiska. Simulacijama se ispituje koje kombinacije dovode do snažnog grupisanja čestica. Utvrđeni pragovi važe pod određenim uslovima; samo postotak prašine ne može odrediti ishod u svakom stvarnom disku.[8], [9]

Zamislite dva čvrsta tijela koja se približavaju jedno drugom. Bez međusobne privlačnosti, njihove površine bi se dodirnule samo pri kretanju duž uskog raspona putanja. Gravitacija savija njihove putanje, pa se sudaraju neka tijela koja bi se inače jedva mimoišla. Takvo povećanje mete za sudar naziva se gravitacijsko fokusiranje.[10]

U izoliranom problemu dva tijela, samo gravitacijsko skretanje putanje ne može trajno uhvatiti tijelo koje u početku nije gravitacijski vezano. Da bi tijelo bilo trajno uhvaćeno, sudar, otpor gasa ili interakcija s drugim tijelom moraju promijeniti odgovarajući energetski bilans.[11]

Rastuće tijelo postaje veća fizička meta i može imati snažnije gravitacijsko fokusiranje. Kada zbog te prednosti njegov relativni rast postane brži nego rast manjih susjednih tijela, u populaciji tijela počinje ubrzani rast. Nekoliko tijela počinje se masom izdvajati od ostalih.[12]

Dinamičko pobuđivanje i prigušivanje se nadmeću

Gravitacijska približavanja pojačavaju neuređeno kretanje. Otpor gasa, neelastični sudari i razmjena kretanja između tijela različitih veličina mogu ublažiti ili preraspodijeliti ovo uzbuđivanje. Ravnoteža ovih procesa mijenja učestalost sudara i određuje jesu li približavanja dovoljno blaga da se tijela mogu spojiti.[10]

Zona hranjenja tijela je područje iz kojeg materijal može lako dospjeti do njega. To nije nepromjenjiva granica: raspršivanje, migracija i čvrste čestice koje pristižu mogu promijeniti koji materijal postaje dostupan. Kada se materijal ukloni iz neposredne okoline, jedna faza rasta može usporiti, dok se evolucija sistema može nastaviti.[13]

Akrecija kamenčića koristi gravitaciju i otpor gasa. Kada mala čvrsta čestica proleti pored većeg zametka, otpor gasa može dovoljno usporiti njeno relativno kretanje da počne polako padati prema zametku, umjesto da odleti nakon približavanja. U povoljnim uslovima, to može biti efikasan način povećanja mase.[14]

Ove kategorije opisuju procese rasta i aerodinamičko ponašanje, a ne univerzalnu skalu koja razvrstava čestice prema jednom tačno utvrđenom prečniku.[15], [12]

Samo ulazak u gravitacijsku oblast nije dovoljan

Veličina koja se naziva Hillov radijus određuje razmjer na kojem se gravitacija zametka nadmeće s plimnim uticajem zvijezde. Bondijeva skala omogućava poređenje uticaja gravitacije s pritiskom gasa ili relativnim kretanjem tokom susreta tijela, zavisno od problema koji se razmatra. Nijedna od njih nije površina koja automatski hvata sve što je presiječe.[15]

Uspješno hvatanje kamenčića zavisi od ukupne sile otpora, trajanja susreta tijela i uticaja gravitacije zametka. Zato je za akreciju kamenčića potreban već formiran zametak; sama po sebi ne objašnjava kako je iz mikroskopskih zrnaca nastao prvi zametak.[14]

Ni dotok materijala nije neograničen. Druga tijela mogu preuzeti materijal koji migrira, a planeta s dovoljno velikim uticajem može promijeniti profil pritiska u disku i spriječiti da kamenčići putuju prema unutra. Čak i mehanizam brzog rasta zavisi od materijala koji do njega stiže.[16]

Na ishod sudara utiču brzina udara, ugao, odnos masa i unutrašnja struktura. Zato se može steći pogrešna slika o formiranju planeta ako se svaki sudar smatra potpunim spajanjem.[17]

Ovi ishodi čine kontinuum. Neki fragmenti mogu se ponovo spojiti ili ih kasnije mogu prikupiti druga tijela, dok se drugi uklanjaju iz lokalnog procesa rasta.[17]

I unutrašnjost malih tijela ima svoju historiju razvoja

Rane planetesimale moglo je zagrijati radioaktivno raspadanje, naročito raspad aluminija-26. Neke su se istopile i razdvojile u jezgra bogata metalima i stjenovite vanjske slojeve; u drugima su se odvijale reakcije vode i minerala. Tako je relativno malo tijelo moglo postati hemijski složeno mnogo prije nastanka konačnih planeta.[18], [19]

Asteroidi poput „Bennua“ mogu sačuvati prvobitne sastojke, a ujedno svjedočiti o promjenama i razaranju većeg matičnog tijela. Proučavanje tih promjena pomaže u rekonstrukciji njihovog porijekla.[19]

U laboratorijama se ispituju obrasci kontakta

Eksperimentima se utvrđuje kada se agregati lijepe, odbijaju, zbijaju ili raspadaju. Ovi rezultati postavljaju ograničenja za modele sudara koje istraživači kasnije primjenjuju na različite uslove u disku. Eksperiment može provjeriti ponašanje materijala bez reprodukovanja cijelog planetarnog sistema.[3]

„Arrokoth“ svjedoči o blagom spajanju

Sonda „New Horizons“ posjetila je objekt Kajperovog pojasa „Arrokoth“ 2019. godine. U analizi objavljenoj 2020. godine, spojeni režnjevi i druga svojstva objekta tumačeni su kao pokazatelji blagog spajanja, u skladu s nastankom usljed kolapsa lokalnog oblaka. To je vrijedno ograničenje za modele ranog okupljanja tijela, a ne nedvosmislen dokaz nestabilnosti strujanja.[20]

Pažljivo odabrani uzorci otkrivaju i sastojke i njihove promjene

Sonda OSIRIS-REx donijela je materijal s asteroida „Bennu“ 2023. godine. Tokom početnog ispitivanja uzorka, o kojem je objavljeno 2024. godine, otkriveni su materijal bogat ugljikom i minerali koji svjedoče o promjenama povezanima s vodom u njegovom matičnom tijelu. Uzorci su sačuvali informacije i o sastavnim materijalima i o procesima kojima su bili izloženi.[19]

Uzorci asteroida „Ryugu“ koje je donijela sonda „Hayabusa2“ također otkrivaju opsežne promjene koje su se odvijale uz prisustvo vode. Ovi nalazi pokazuju zašto su „drevno“ i „nepromijenjeno“ različite tvrdnje: historija zabilježena u mineralima može biti jednako informativna kao i početni materijal.[21]

Udaljeni diskovi otkrivaju okruženje, ali ne i svaki građevni element

Teleskopi mogu mapirati nakupine prašine u mladim diskovima i prašinu nastalu sudarima u starijim sistemima krhotina. Obično ne mogu razlučiti pojedinačne planetezimale veličine kilometra u udaljenim sistemima. Istraživači upoređuju ove posredne pokazatelje s modelima i istovremeno provjeravaju mogu li ista opažanja objasniti različiti fizički procesi.[22], [23]

Planetezimali i planetarni zameci koji od njih nastaju mogu postati dio stjenovitih planeta i čvrstih jezgara džinovskih planeta. Relativni značaj akrecije planetezimala, hvatanja kamenčića i spajanja zametaka može se razlikovati od sistema do sistema.[13]

Džinovske planete moraju akumulirati gas dok ga još ima

Jezgro ne mora dostići univerzalnu granicu od deset Zemljinih masa da bi uopće moglo zadržati gas. Formiranje masivnog gasnog omotača zavisi od hlađenja, neprekidne akrecije čvrste materije i zaliha gasa u disku. Zato rast džinovske planete mora biti usklađen s razvojem i životnim vijekom njenog diska.[24]

Stjenoviti svjetovi mogu nastaviti da se formiraju i nakon što se gas rasprši

Zameci se mogu nastaviti raspršivati i sudarati čak i nakon što nestane većina prvobitnog gasa. Materijal donesen iz drugih područja može donijeti minerale koji sadrže vodu, led i organska jedinjenja. Doprinos ovog materijala i vrijeme njegovog donošenja razlikuju se; porijeklo vode na Zemlji ne može se objasniti jednim univerzalnim izvorom zajedničkim svim planetama.[13]

Dio materijala ostaje u manjim tijelima

Ne postaje svaki zametak dijelom velike planete. Preostale populacije malih tijela sudaraju se, a njihove se orbite mijenjaju; ponekad se zbog toga formiraju uočljivi pojasevi krhotina. Ova preživjela tijela omogućavaju proučavanje ishoda formiranja planeta, koji je lako previdjeti kada je sva pažnja usmjerena samo na najveće svjetove.[23]