Planetesimalių akrecija

Πολύ μικροί κόκκοι μπορούν να συναντηθούν λόγω της τυχαίας θερμικής κίνησης, που ονομάζεται κίνηση Brown. Μετά από μια ήπια σύγκρουση, οι επιφανειακές δυνάμεις μπορούν να τους συγκρατήσουν. Καθώς τα συσσωματώματα μεγαλώνουν, η καθίζηση, οι αναταράξεις και η ανομοιόμορφη κίνηση μέσα στα αέρια προκαλούν νέες συγκρούσεις.[2]

Δεν αυξάνουν όλες οι συγκρούσεις τη μάζα. Τα συσσωματώματα μπορούν να συμπιεστούν και να αναπηδήσουν, να χάσουν υλικό ή να διαλυθούν. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από την ταχύτητα της σύγκρουσης, το μέγεθος των σωματιδίων, το πορώδες και τη σύστασή τους. Ένας τρόπος ανάπτυξης που ταιριάζει σε ένα είδος σκόνης μπορεί να μην ταιριάζει σε κάποιο άλλο.[3]

Ο πάγος μεταβάλλει τις συνθήκες, αλλά δεν εξαλείφει το πρόβλημα

Πέρα από τη γραμμή χιονιού μιας συγκεκριμένης ουσίας, ο πάγος μπορεί να γίνει μέρος ενός κόκκου ή ενός συσσωματώματος. Η επίδρασή του στη συγκόλληση εξαρτάται από το υλικό και τη θερμοκρασία. Η λέξη «παγωμένος» δεν σημαίνει από μόνη της ότι κάθε σύγκρουση είναι ήπια ή ότι η ανάπτυξη συνεχίζεται ανεμπόδιστα.[4]

Τα σωματίδια μπορεί να μετακινηθούν προς τα μέσα καθώς μεγαλώνουν

Εκεί όπου η πίεση του αερίου μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από το άστρο, το αέριο που υποστηρίζεται από την πίεση κινείται λίγο πιο αργά από ένα σώμα που διατηρείται σε τροχιά μόνο χάρη στην κίνησή του. Ένα στερεό σωματίδιο που αλληλεπιδρά με αυτό το αέριο υφίσταται αντίθετο ρεύμα και μπορεί έτσι να μετακινηθεί προς τα μέσα. Το φυσικό μέγεθος των πιο ευάλωτων σωματιδίων εξαρτάται από τις τοπικές συνθήκες του αερίου.[2]

Ο όρος «φράγμα του μεγέθους ενός μέτρου» περιλαμβάνει αυτές τις δυσκολίες ανάπτυξης και μετακίνησης. Δεν πρόκειται για καθολικό εμπόδιο που εμφανίζεται όταν επιτευχθεί ακριβώς το μέγεθος ενός μέτρου, ούτε έχουν όλα τα σωματίδια εξίσου λίγο χρόνο πριν καταλήξουν στο άστρο τους.[2]

Μία υποσχόμενη οδός σχηματισμού αρχίζει με τη συγκέντρωση πολλών σωματιδίων, ενώ η βαρύτητα ολοκληρώνει τη συνένωσή τους. Ένα μέγιστο πίεσης μπορεί να βοηθήσει να συγκρατηθούν τα στερεά σωματίδια που παρασύρονται προς τα μέσα. Υπό κατάλληλες συνθήκες, η αλληλεπίδραση αερίου και σωματιδίων μπορεί να ενισχύσει ακόμη περισσότερο τη συγκέντρωσή τους.[5]

Η στροφική αστάθεια μεταβάλλει την ίδια τη ροή

Η σκόνη επηρεάζεται από την αεροδυναμική αντίσταση του αερίου, αλλά με τη σειρά της επηρεάζει και το αέριο. Αυτή η στροφική αστάθεια προκύπτει από αυτή την αμοιβαία αλληλεπίδραση και τη σχετική κίνηση. Μπορεί να ενισχυθεί και χωρίς αυτοβαρύτητα: αρχικά πρόκειται για τρόπο συγκέντρωσης σωματιδίων και όχι για την ίδια τη βαρυτική κατάρρευση.[6]

Αν ένα συσσωμάτωμα γίνει αρκετά πυκνό, η ίδια του η βαρύτητα μπορεί να υπερνικήσει τη διασπορά και την καταστροφική επίδραση της τροχιακής διάτμησης. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι τότε από συγκεντρώσεις σωματιδίων μπορούν να σχηματιστούν βαρυτικά δεσμευμένα πλανητοειδή. Η μάζα και το μέγεθός τους εξαρτώνται από τον προσομοιωμένο δίσκο και τις συνθήκες κατάρρευσης.[7]

Δεν υπάρχει καθολικό κατώφλι συγκέντρωσης

Σημαντικοί είναι όλοι οι εξής παράγοντες: η σύζευξη σωματιδίων και αερίου, η ποσότητα στερεού υλικού, οι αναταράξεις και η βαθμίδα πίεσης υποβάθρου. Οι προσομοιώσεις εξετάζουν ποιοι συνδυασμοί τους οδηγούν σε ισχυρή συγκέντρωση σωματιδίων. Τα κατώφλια που προσδιορίζονται ισχύουν υπό συγκεκριμένες συνθήκες· το ποσοστό σκόνης από μόνο του δεν μπορεί να καθορίσει το αποτέλεσμα σε κάθε πραγματικό δίσκο.[8], [9]

Φανταστείτε δύο συμπαγή σώματα που πλησιάζουν το ένα το άλλο. Χωρίς αμοιβαία έλξη, οι επιφάνειές τους θα έρχονταν σε επαφή μόνο αν κινούνταν μέσα σε ένα στενό εύρος τροχιών. Η βαρύτητα καμπυλώνει τις τροχιές τους, με αποτέλεσμα να συγκρούονται κάποια σώματα που διαφορετικά θα περνούσαν ξυστά το ένα από το άλλο. Αυτή η αύξηση του στόχου σύγκρουσης ονομάζεται βαρυτική εστίαση.[10]

Στο απομονωμένο πρόβλημα δύο σωμάτων, η βαρυτική εκτροπή της τροχιάς από μόνη της δεν μπορεί να δεσμεύσει για πάντα ένα σώμα που αρχικά δεν ήταν βαρυτικά δεσμευμένο. Για να δεσμευτεί το σώμα για μεγάλο χρονικό διάστημα, μια σύγκρουση, η αντίσταση των αερίων ή η αλληλεπίδραση με άλλο σώμα πρέπει να μεταβάλει το ενεργειακό ισοζύγιο.[11]

Ένα αναπτυσσόμενο σώμα γίνεται μεγαλύτερος φυσικός στόχος και μπορεί να παρουσιάζει ισχυρότερη βαρυτική εστίαση. Όταν, χάρη σε αυτό το πλεονέκτημα, ο σχετικός ρυθμός ανάπτυξής του γίνεται ταχύτερος από εκείνον των μικρότερων γειτονικών σωμάτων, στον πληθυσμό των σωμάτων αρχίζει η επιταχυνόμενη ανάπτυξη. Μερικά σώματα αρχίζουν να ξεχωρίζουν από τα υπόλοιπα ως προς τη μάζα τους.[12]

Δυναμική διέγερση και καταστολή ανταγωνίζονται

Οι βαρυτικές προσεγγίσεις ενισχύουν την άτακτη κίνηση. Η αντίσταση του αερίου, οι ανελαστικές συγκρούσεις και η ανταλλαγή κίνησης μεταξύ σωμάτων διαφορετικού μεγέθους μπορούν να αμβλύνουν ή να ανακατανείμουν αυτή τη διέγερση. Η ισορροπία αυτών των διεργασιών μεταβάλλει τη συχνότητα των συγκρούσεων και καθορίζει αν οι προσεγγίσεις είναι αρκετά ήπιες ώστε τα σώματα να μπορούν να προσαυξήσουν ύλη.[10]

Η ζώνη τροφοδοσίας ενός σώματος είναι η περιοχή από την οποία μπορεί εύκολα να φτάσει σε αυτό ύλη. Δεν είναι ένα αμετάβλητο όριο: η σκέδαση, η μετανάστευση και τα εισερχόμενα στερεά σωματίδια μπορούν να μεταβάλουν το ποια ύλη είναι διαθέσιμη. Όταν απομακρυνθεί η ύλη από το άμεσο περιβάλλον, ένα στάδιο ανάπτυξης μπορεί να επιβραδυνθεί, ενώ η εξέλιξη του συστήματος συνεχίζεται.[13]

Η συσσώρευση βότσαλων αξιοποιεί τη βαρύτητα και την αντίσταση του αερίου. Όταν ένα μικρό στερεό σωματίδιο περνά κοντά από έναν μεγαλύτερο σπόρο, η αντίσταση του αερίου μπορεί να μειώσει αρκετά τη σχετική του κίνηση, ώστε να αρχίσει να πέφτει αργά προς τον σπόρο αντί να απομακρυνθεί μετά την προσέγγιση. Υπό ευνοϊκές συνθήκες, αυτό μπορεί να είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος αύξησης της μάζας.[14]

Αυτές οι κατηγορίες περιγράφουν διαδικασίες ανάπτυξης και αεροδυναμική συμπεριφορά, όχι μια καθολική κλίμακα που ταξινομεί τα σωματίδια με βάση μία ακριβώς καθορισμένη διάμετρο.[15], [12]

Η είσοδος στη βαρυτική περιοχή δεν αρκεί

Το μέγεθος που ονομάζεται ακτίνα Hill περιγράφει την κλίμακα στην οποία η βαρύτητα του σπόρου ανταγωνίζεται την παλιρροϊκή επίδραση του άστρου. Η κλίμακα Bondi επιτρέπει τη σύγκριση της επίδρασης της βαρύτητας με την πίεση του αερίου ή τη σχετική κίνηση κατά τη συνάντηση σωμάτων, ανάλογα με το πρόβλημα που εξετάζεται. Κανένα από τα δύο δεν είναι επιφάνεια που συλλαμβάνει αυτόματα οτιδήποτε τη διασχίζει.[15]

Η επιτυχής σύλληψη βότσαλων εξαρτάται από τη συνολική δύναμη αντίστασης, τη διάρκεια της συνάντησης των σωμάτων και την επίδραση της βαρύτητας του σπόρου. Επομένως, η συσσώρευση βότσαλων απαιτεί έναν ήδη σχηματισμένο σπόρο· από μόνη της δεν εξηγεί πώς σχηματίστηκε ο πρώτος σπόρος από μικροσκοπικούς κόκκους.[14]

Η παροχή ύλης δεν είναι επίσης απεριόριστη. Άλλα σώματα μπορούν να παγιδεύσουν ύλη που παρασύρεται, ενώ ένας πλανήτης με αρκετά ισχυρή επίδραση μπορεί να αλλάξει το προφίλ πίεσης του δίσκου και να εμποδίσει τη ροή βότσαλων προς τα μέσα. Ακόμη και ένας μηχανισμός ταχείας ανάπτυξης εξαρτάται από την ύλη που φτάνει σε αυτόν.[16]

Η ταχύτητα της πρόσκρουσης, η γωνία, ο λόγος των μαζών και η εσωτερική δομή συμβάλλουν στον καθορισμό της έκβασης μιας σύγκρουσης. Επομένως, αν θεωρήσουμε ότι κάθε σύγκρουση καταλήγει σε πλήρη συγχώνευση, μπορεί να σχηματίσουμε λανθασμένη εικόνα για τον σχηματισμό των πλανητών.[17]

Αυτές οι εκβάσεις σχηματίζουν ένα συνεχές. Κάποια θραύσματα μπορεί να επανασυγκολληθούν ή να ενσωματωθούν αργότερα από άλλα σώματα, ενώ άλλα απομακρύνονται από την τοπική διαδικασία ανάπτυξης.[17]

Και το εσωτερικό των μικρών σωμάτων έχει τη δική του εξελικτική ιστορία

Τα πρώιμα πλανητοειδή μπορεί να θερμάνθηκαν από ραδιενεργό διάσπαση, ιδίως από τη διάσπαση του αλουμινίου-26. Κάποια έλιωσαν και διαχωρίστηκαν σε πυρήνες πλούσιους σε μέταλλα και βραχώδεις εξωτερικές περιοχές, ενώ σε άλλα σημειώθηκαν αντιδράσεις μεταξύ νερού και ορυκτών. Έτσι, ένα σχετικά μικρό σώμα μπορούσε να αποκτήσει χημική πολυπλοκότητα πολύ πριν σχηματιστούν οι τελικοί πλανήτες.[18], [19]

Αστεροειδείς όπως ο «Bennu» μπορούν να διατηρούν αρχικά συστατικά και παράλληλα να μαρτυρούν τις μεταβολές και τη διάσπαση ενός μεγαλύτερου μητρικού σώματος. Η μελέτη αυτών των μεταβολών βοηθά στην ανασύσταση της προέλευσής τους.[19]

Τα εργαστήρια ελέγχουν τα μοτίβα επαφής

Τα πειράματα προσδιορίζουν πότε τα συσσωματώματα κολλούν μεταξύ τους, αναπηδούν, συμπιέζονται ή διασπώνται. Αυτά τα αποτελέσματα θέτουν περιορισμούς στα μοντέλα συγκρούσεων, τα οποία οι ερευνητές εφαρμόζουν στη συνέχεια σε διάφορες συνθήκες του δίσκου. Ένα πείραμα μπορεί να ελέγξει τη συμπεριφορά της ύλης χωρίς να αναπαράγει ολόκληρο το πλανητικό σύστημα.[3]

Το «Arrokoth» αποτελεί ένδειξη ήπιας συγχώνευσης

Το διαστημικό σκάφος «New Horizons» επισκέφθηκε το αντικείμενο της ζώνης του Κάιπερ «Arrokoth» το 2019. Σε ανάλυση που δημοσιεύτηκε το 2020, οι ενωμένοι λοβοί του και άλλα χαρακτηριστικά του θεωρήθηκαν ενδείξεις ήπιας συγχώνευσης, συμβατές με σχηματισμό μέσω κατάρρευσης ενός τοπικού νέφους. Αυτό αποτελεί σημαντικό περιορισμό για τα μοντέλα πρώιμης συσσώρευσης σωμάτων, όχι όμως αδιαμφισβήτητη απόδειξη της στροβιλώδους αστάθειας.[20]

Τρυπημένα δείγματα αποκαλύπτουν τόσο τα συστατικά όσο και τις μεταβολές τους

Το διαστημικό σκάφος OSIRIS-REx έφερε πίσω υλικό από τον αστεροειδή «Bennu» το 2023. Κατά την προκαταρκτική εξέταση του δείγματος, που ανακοινώθηκε το 2024, εντοπίστηκαν υλικό πλούσιο σε άνθρακα και ορυκτά που μαρτυρούν αλλοιώσεις σχετιζόμενες με το νερό στο μητρικό του σώμα. Τα δείγματα διατήρησαν πληροφορίες τόσο για τα συστατικά υλικά όσο και για τις διεργασίες που υπέστησαν.[19]

Τα δείγματα από τον αστεροειδή «Ryugu» που έφερε πίσω το διαστημικό σκάφος «Hayabusa2» αποκαλύπτουν επίσης εκτεταμένες αλλοιώσεις που προκλήθηκαν από την παρουσία νερού. Τα ευρήματα αυτά δείχνουν γιατί οι χαρακτηρισμοί «αρχαίο» και «αναλλοίωτο» δεν σημαίνουν το ίδιο: η ιστορία που έχει καταγραφεί στα ορυκτά μπορεί να είναι εξίσου κατατοπιστική με το αρχικό υλικό.[21]

Οι μακρινοί δίσκοι αποκαλύπτουν το περιβάλλον, αλλά όχι κάθε δομικό υλικό

Με τηλεσκόπια μπορούν να χαρτογραφηθούν συγκεντρώσεις σκόνης σε νεαρούς δίσκους και σκόνη που σχηματίζεται από συγκρούσεις σε παλαιότερα συστήματα συντριμμιών. Συνήθως, όμως, δεν επιτρέπουν τον εντοπισμό μεμονωμένων πλανητοειδών μεγέθους ενός χιλιομέτρου σε μακρινά συστήματα. Οι ερευνητές συγκρίνουν αυτές τις έμμεσες ενδείξεις με μοντέλα και παράλληλα εξετάζουν αν τα ίδια παρατηρησιακά δεδομένα θα μπορούσαν να εξηγηθούν από διαφορετικές φυσικές διεργασίες.[22], [23]

Τα πλανητοειδή και οι πλανητικοί σπόροι που σχηματίζονται από αυτά μπορούν να γίνουν μέρος των βραχωδών πλανητών και των στερεών πυρήνων των γιγάντιων πλανητών. Η σχετική σημασία της προσαύξησης πλανητοειδών, της πρόσληψης βότσαλων και της συγχώνευσης πλανητικών σπόρων μπορεί να διαφέρει από σύστημα σε σύστημα.[13]

Οι γιγάντιοι πλανήτες πρέπει να συσσωρεύσουν αέριο όσο αυτό είναι ακόμη διαθέσιμο

Ο πυρήνας δεν χρειάζεται να φτάσει σε ένα ενιαίο όριο δέκα μαζών της Γης για να μπορέσει να συγκρατήσει αέριο. Ο σχηματισμός ενός μαζικού αερίου περιβλήματος εξαρτάται από την ψύξη, τη συνεχιζόμενη προσαύξηση στερεού υλικού και τα αποθέματα αερίου στον δίσκο. Επομένως, η ανάπτυξη ενός γιγάντιου πλανήτη πρέπει να συνάδει με την εξέλιξη και τη διάρκεια ζωής του δίσκου του.[24]

Οι βραχώδεις κόσμοι μπορούν να συνεχίσουν να σχηματίζονται και μετά τη διασπορά του αερίου

Οι πλανητικοί σπόροι μπορούν να συνεχίσουν να διασκορπίζονται και να συγκρούονται ακόμη και μετά την εξαφάνιση του μεγαλύτερου μέρους του αρχέγονου αερίου. Ύλη που μεταφέρεται από αλλού μπορεί να φέρει ορυκτά που περιέχουν νερό, πάγο και οργανικές ενώσεις. Η συμβολή αυτής της ύλης και ο χρόνος άφιξής της ποικίλλουν· η προέλευση του νερού της Γης δεν μπορεί να εξηγηθεί με μία ενιαία πηγή που να ισχύει για όλους τους πλανήτες.[13]

Μέρος της ύλης παραμένει σε μικρότερα σώματα

Δεν γίνεται κάθε πλανητικός σπόρος μέρος ενός μεγάλου πλανήτη. Οι εναπομείναντες πληθυσμοί μικρών σωμάτων συγκρούονται και οι τροχιές τους μεταβάλλονται· μερικές φορές αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό παρατηρήσιμων ζωνών συντριμμιών. Αυτά τα σώματα που επέζησαν μάς επιτρέπουν να μελετήσουμε την έκβαση του σχηματισμού των πλανητών, η οποία εύκολα περνά απαρατήρητη όταν όλη η προσοχή στρέφεται μόνο στους μεγαλύτερους κόσμους.[23]