Αέριοι και παγόγλυφοι γίγαντες

Ο Δίας και ο Κρόνος είναι αέριοι γίγαντες: το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους αποτελείται από υδρογόνο και ήλιο. Περιέχουν επίσης βαρύτερα στοιχεία, κατανεμημένα στα εσωτερικά τους στρώματα, των οποίων η δομή είναι πιο σύνθετη από έναν μικρό, σαφώς οριοθετημένο στερεό πυρήνα κάτω από ένα αέριο περίβλημα.[3]

Ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας έχουν επίσης περιβλήματα υδρογόνου και ηλίου, όμως το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους αποτελείται από βαρύτερα στοιχεία. Οι αστρονόμοι παραδοσιακά τούς αποκαλούν παγωμένους γίγαντες, επειδή το νερό, η αμμωνία και το μεθάνιο μπορεί να αποτελούν μέρος των υλικών από τα οποία σχηματίστηκαν. Η ονομασία από μόνη της δεν σημαίνει ότι το νερό αποτελεί κάποιο συγκεκριμένο ποσοστό τους ή ότι διαθέτουν μανδύα από συνηθισμένο παγωμένο πάγο.[4]

Οι μάζες έχουν στρογγυλοποιηθεί σύμφωνα με τις πλανητικές παραμέτρους που παρέχει η NASA JPL. Πρόκειται για συνολικές μάζες και όχι για μετρήσεις των μαζών των ξεχωριστών πυρήνων.[1]

Πέρα από το όριο χιονιού μιας συγκεκριμένης ουσίας, οι τοπικές συνθήκες επιτρέπουν τη συμπύκνωσή της σε πάγο. Οι μεταβάσεις φάσης του νερού, του διοξειδίου του άνθρακα και του μονοξειδίου του άνθρακα συμβαίνουν υπό διαφορετικές συνθήκες. Η θέση αυτών των ορίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την πίεση και την εξέλιξη του δίσκου, επομένως δεν υπάρχει ένα ενιαίο, αμετάβλητο όριο πάγωμα για όλα τα πτητικά υλικά.[5]

Όπου διατηρείται ο πάγος, αυξάνει την ποσότητα της διαθέσιμης στερεάς ύλης. Τα σωματίδια που παρασύρονται μπορούν επίσης να ανακατανείμουν αυτούς τους πόρους. Αυτό μπορεί να βοηθήσει ένα αναπτυσσόμενο σώμα, αλλά ούτε μια ψυχρή περιοχή ούτε η διέλευση από το όριο χιονιού του νερού εγγυάται τον σχηματισμό ενός αέριου γίγαντα.[5]

Ο πλανήτης μπορεί να αλλάξει τον δικό του ανεφοδιασμό με υλικό

Ένας πλανήτης με αρκετά ισχυρή επίδραση μπορεί να αλλάξει το προφίλ πίεσης του δίσκου και να δημιουργήσει ένα μέγιστο πίεσης πέρα από την τροχιά του. Αυτό περιορίζει τη ροή των εισερχόμενων βότσαλων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται απομόνωση βότσαλων. Η μάζα στην οποία συμβαίνει αυτό εξαρτάται από τις συνθήκες του δίσκου, ενώ τα μικρά σωματίδια μπορούν και πάλι να περάσουν.[7]

Η απομόνωση από μόνη της δεν δημιουργεί έναν αέριο γίγαντα. Αν ένα τέτοιο σώμα είναι πολύ μικρό ή το περίβλημά του εξελίσσεται πολύ αργά, μπορεί να μην απομείνει αρκετός χρόνος ζωής στον δίσκο για να συσσωρεύσει μεγάλη ποσότητα αερίων.[7]

Η βαρύτητα του πλανήτη έλκει αέρια, αλλά η συμπίεση τα θερμαίνει. Η πίεση τότε βοηθά το περίβλημα να αντισταθεί στη βαρύτητα. Για να συσσωρεύει αποτελεσματικά περισσότερα αέρια, το περίβλημα πρέπει να χάσει ενέργεια και να συσταλεί. Επειδή πρέπει να ψυχθεί, η συσσώρευση αερίων στην αρχή μπορεί να είναι πολύ πιο αργή απ’ ό,τι θα υπέθετε κανείς από την απλοϊκή εικόνα μιας «ηλεκτρικής σκούπας».[8]

Akumulacja ciał stałych również dostarcza ciepła

Ciała stałe opadające na planetę uwalniają energię. Dlatego trwająca akrecja kamyków może pomagać utrzymać gorącą otoczkę. Gdy to ogrzewanie słabnie, na przykład wskutek ustania dostaw kamyków, stygnięcie i akumulacja gazu mogą przyspieszyć.[9]

Ważna jest też nieprzezroczystość, która określa, jak łatwo promieniowanie przenika przez materię. Otoczka skutecznie zatrzymująca ciepło może ewoluować inaczej niż taka, która łatwiej wypromieniowuje energię. Na wynik wpływają również warunki w otaczającym dysku.[8]

Grawitacja samej otoczki nabiera znaczenia

W miarę akumulacji gazu jego własna grawitacja może przyspieszać kurczenie się otoczki i dalszą akrecję. Gdy masy otoczki i jądra stają się podobne, w wielu modelach układ zbliża się do lawinowej akrecji gazu: szybkiego wzrostu, podczas którego, póki gaz jest dostępny, może powstać planeta zdominowana przez wodór i hel.[11]

Gdy planeta może już szybko akumulować gaz, decydujące znaczenie ma zdolność dysku do jego dostarczania. Gaz musi przepływać przez otaczający dysk do otoczenia planety. Wzrost może ograniczać dostępność gazu, a nie zdolność otoczki do stygnięcia.[10]

Otwarcie szczeliny nie zatrzymuje wszystkich przepływów

Momenty sił grawitacyjnych masywnej planety mogą utworzyć wokół jej orbity obszar o mniejszej gęstości. To, czy powstanie głęboka szczelina, zależy od grawitacji planety, ciśnienia gazu i transportu momentu pędu w dysku. Zwykle szczelina oznacza obszar o mniejszej ilości materii, a nie pusty rów.[12]

Gaz może przepływać przez szczelinę utworzoną przez planetę i nadal być dostarczany na planetę lub do wewnętrznej części dysku. Szczelina zmienia przepływ dostarczanego gazu, ale jej otwarcie nie wyznacza jednej uniwersalnej masy końcowej planety.[10], [13]

Pierwotny rezerwuar gazu ostatecznie się rozprasza

Ilość gazu maleje wskutek akrecji na gwiazdę i wiatrów dyskowych. Czas życia dysków jest różny; nie ma jednego obowiązującego dla wszystkich układów przedziału od 3 do 10 milionów lat. Olbrzym musi zgromadzić swoją masywną pierwotną otoczkę wodorowo-helową, póki dostępny jest odpowiedni rezerwuar gazu, choć później mogą nadal zachodzić zderzenia i zmiany orbit.[14]

Ο σχηματισμός ενός γίγαντα πάγου απαιτεί ισορροπία. Τα μοντέλα πρέπει να συγκεντρώνουν σημαντική ποσότητα βαρύτερου υλικού, ενώ ο φάκελος υδρογόνου και ηλίου πρέπει να παραμένει σχετικά μικρός. Οι συνθήκες που ευνοούν την αποτελεσματική συσσώρευση στερεού υλικού μπορεί επίσης να βοηθήσουν έναν πλανήτη να συγκεντρώσει τόσο αέριο ώστε να γίνει γίγαντας αερίων αντί για γίγαντας πάγου.[16]

Τα πιθανά σενάρια εξέλιξης διαφέρουν ως προς τον χρόνο ανάπτυξης, τη θέρμανση που προκαλείται από την εισροή στερεού υλικού και την ποσότητα αερίου που είναι διαθέσιμη καθώς ο δίσκος διαλύεται. Η άποψη «Σχηματίστηκαν πολύ αργά» μπορεί να αποτελεί μέρος ενός μοντέλου, αλλά δεν είναι επιβεβαιωμένη εξήγηση για όσα συνέβησαν και στους δύο πλανήτες.[16], [9]

Ο σχηματισμός και των δύο πλανητών πρέπει να συμφωνεί με το ίδιο μεταβαλλόμενο σύστημα

Σε μια μελέτη μοντελοποίησης του 2023 παρακολουθήθηκε από κοινού η εξέλιξη των βότσαλων, των πλανητοειδών και των αερίων. Τα αποτελέσματα για την αναπαραγωγή του σχηματισμού και των δύο πλανητών - του Ουρανού και του Ποσειδώνα - ήταν ευαίσθητα στις αλλαγές των αρχικών πλανητικών πυρήνων και της ιστορίας ανάπτυξής τους. Αυτό δείχνει γιατί είναι ευκολότερο να αναπαραχθεί η μάζα ενός πλανήτη παρά να εξηγηθεί ο σχηματισμός και των δύο πλανητών με βάση ένα συνεκτικό μοντέλο των συνθηκών του δίσκου.[17]

Η μετανάστευση και οι γιγάντιες συγκρούσεις μπορεί επίσης να επηρέασαν την εξέλιξή τους. Οι σημερινές αποστάσεις τους δεν αποκαλύπτουν πού σχηματίστηκαν, ενώ τα διαθέσιμα στοιχεία δεν επιτρέπουν να προσδιοριστεί μία και μοναδική ακολουθία γεγονότων.[4]

Οι γνώριμες ζώνες νεφών αποκαλύπτουν μόνο την επιφάνεια. Βαθιά κάτω από αυτές, η αυξανόμενη πίεση μεταβάλλει τις ιδιότητες της ύλης. Στο εσωτερικό του Δία και του Κρόνου, το υδρογόνο γίνεται πυκνό ρευστό και, σε αρκετά υψηλή πίεση, ηλεκτρικά αγώγιμο μεταλλικό υδρογόνο. Ο όρος «γίγαντας αερίων» δεν σημαίνει ότι ολόκληρος ο πλανήτης αποτελείται από συνηθισμένα αέρια χαμηλής πυκνότητας.[3]

Ledo ir uolienų santykis tebėra atviras klausimas

Naujausi vidaus sandaros modeliai gali atitikti turimus Urano ir Neptūno matavimų duomenis tiek numatant sudėtį, kurioje vyrauja vanduo, tiek tokią, kurioje vyrauja uolienos. Gelmių medžiaga gali būti tankių fluidų arba kitų aukšto slėgio fazių pavidalo. Įprasta schema, kurioje mažą uolienų branduolį gaubia stora, vienalytė ledo mantija, yra vienas iš galimų modelių, o ne tiesiogiai stebėta sandara.[21]

Dėl maišymosi ir evoliucijos dabartinės branduolio sritys nebūtinai išlaiko pradinį kietosios medžiagos pasiskirstymą planetoje.[3]

Diskų vaizdai atskleidžia struktūrą

ALMA vaizduose matyti žiedai, tarpai ir kiti dulkių spinduliuotės raštai. Tokie projektai kaip DSHARP išsamiai kartografuoja šias struktūras. Planeta gali prisidėti prie tarpo susidarymo, tačiau vien tarpas dulkių diske nėra nei patvirtinta planeta, nei vienareikšmis jos formavimosi mechanizmo įrodymas.[22]

Jaunos planetos atskleidžia tebevykstantį augimą

Jaunoje sistemoje PDS 70 yra dvi tiesiogiai aptiktos protoplanetos. Su abiem siejama vandenilio spinduliuotė rodo tebevykstančią akreciją. Tokie stebėjimai patvirtina, kad planetos gali augti diskuose, ir padeda tikrinti dujų srautų modelius, tačiau vien jų nepakanka visai formavimosi istorijai nustatyti.[23]

Atmosferose slypi cheminių užuominų

Pagal spektrus galima nustatyti molekulių ir elementų gausos intervalus atmosferos srityse, kurias galima stebėti. Šie matavimai apima konkrečius sluoksnius; jie tiesiogiai neparodo viso sunkiųjų elementų kiekio planetoje. Norint susieti juos su formavimusi, reikia akrecijos, cheminių virsmų ir kintančio disko modelių.[24]

Pavyzdžiui, anglies ir deguonies santykis gali padėti palyginti formavimosi scenarijus. Jis neleidžia vienareikšmiškai nustatyti pradinio atstumo nuo žvaigždės: panašią atmosferų sudėtį gali lemti skirtinga disko cheminė sudėtis, medžiagos pernaša ir migracijos istorija.[24]

Planetų paieškos apžvalgos atskleidžia daugelio sistemų dėsningumus

Radialinių greičių apžvalgose, kuriose tirtos žvaigždžių populiacijos, dujinės milžinės dažniau aptinkamos aplink žvaigždes, turinčias daugiau metalų. Tyrimai, kuriuose atsižvelgiama į žvaigždžių masę, patvirtina ryšį tarp prieinamos kietosios medžiagos kiekio ir dujinių milžinių formavimosi. Tai statistinė tendencija, o ne konkrečios žvaigždės garantija.[25]

Ο πλανήτης ασκεί ροπές στον δίσκο, και ο δίσκος ασκεί ροπές στον πλανήτη. Ακόμη και ένας πλανήτης που ανοίγει χάσμα στον δίσκο μπορεί να μεταναστεύσει. Ο παραδοσιακός όρος μετανάστευση τύπου II περιγράφει αυτό το καθεστώς, αλλά η κίνηση του πλανήτη δεν είναι απαραίτητα αυστηρά συνδεδεμένη με την προς τα μέσα ροή του δίσκου που προκαλεί το ιξώδες.[13]

Οι θερμοί Δίες δείχνουν πόσο διαφορετικά μπορεί να είναι τα τελικά αποτελέσματα: οι αέριοι γίγαντες μπορεί να περιφέρονται σε τροχιές με περίοδο μόλις λίγων ημερών. Οι προτεινόμενες εξηγήσεις για την προέλευσή τους περιλαμβάνουν τη μετανάστευση μέσω του δίσκου, τη μεταγενέστερη διέγερση μιας έκκεντρης τροχιάς και την επακόλουθη συρρίκνωση της τροχιάς λόγω παλιρροϊκών δυνάμεων, καθώς και τον σχηματισμό κοντά στο άστρο. Δεν έχει καθοριστεί μία κοινή οδός σχηματισμού για όλους τους θερμούς Δίες.[26]

Αυτά τα ερωτήματα συνδέουν τη μάζα και τη σύσταση ενός πλανήτη με το περιβάλλον στο οποίο εξελίχθηκε.[2], [9], [10]