Acreția planetesimalelor

Granulele foarte mici se pot întâlni datorită mișcării termice aleatorii, numită mișcare browniană. După o coliziune blândă, forțele de suprafață le pot menține împreună. Pe măsură ce aglomerările cresc, sedimentarea, turbulența și mișcarea diferențiată în gaz provoacă noi coliziuni.[2]

Nu toate aceste coliziuni cresc masa. Aglomerările se pot comprima și ricoșa, pot pierde material sau se pot dezintegra. Rezultatul depinde de viteza coliziunii, dimensiunea particulelor, porozitate și compoziție. O metodă de creștere potrivită pentru un tip de praf poate să nu funcționeze pentru altele.[3]

Gheața schimbă condițiile, dar nu elimină problema

Dincolo de linia de îngheț a unei anumite substanțe, gheața poate deveni parte a unui grăunte sau a unei aglomerări. Efectul ei asupra aderării depinde de material și de temperatură. Cuvântul „înghețat” nu înseamnă de la sine că fiecare coliziune este blândă sau că creșterea continuă fără obstacole.[4]

Particulele pot deriva în timp ce cresc

Acolo unde presiunea gazului scade pe măsură ce ne îndepărtăm de stea, gazul susținut de presiune se deplasează puțin mai încet decât un corp a cărui orbită este susținută doar de mișcarea sa. O particulă solidă care interacționează cu acel gaz este expusă unui curent de sens contrar și, prin urmare, poate deriva spre interior. Dimensiunea fizică a particulelor cele mai vulnerabile depinde de condițiile locale ale gazului.[2]

Termenul „bariera de dimensiunea unui metru” cuprinde aceste dificultăți legate de creștere și derivă. Nu este o barieră universală care apare la atingerea dimensiunii exacte de un metru și nici nu înseamnă că fiecare particulă are la fel de puțin timp înainte să ajungă la steaua sa.[2]

O cale promițătoare de formare începe prin concentrarea unui număr mare de particule, iar gravitația încheie procesul de unire a acestora. Un maxim de presiune poate ajuta la reținerea particulelor solide aflate în derivă. În condiții potrivite, interacțiunea dintre gaz și particule le poate intensifica și mai mult aglomerarea.[5]

Instabilitatea de curgere modifică însăși curgerea

Praful este supus rezistenței aerodinamice a gazului, dar, la rândul lui, influențează gazul. Această instabilitate de curgere apare din cauza acestei interacțiuni reciproce și a mișcării relative. Se poate amplifica și fără gravitația proprie: inițial, este un mod de aglomerare a particulelor, nu colapsul gravitațional propriu-zis.[6]

Dacă aglomerarea devine suficient de densă, gravitația proprie poate învinge dispersia și efectul perturbator al forfecării orbitale. Simulările numerice arată că, în acest caz, aglomerările de particule se pot transforma în planetesimale legate gravitațional. Masa și dimensiunea lor depind de discul modelat și de condițiile colapsului.[7]

Nu există un prag universal pentru aglomerare

Toți acești factori sunt importanți: cuplarea dintre particule și gaz, cantitatea de materie solidă, turbulența și gradientul de presiune de fond. Simulările investighează ce combinații ale acestora duc la o aglomerare puternică a particulelor. Pragurile stabilite sunt valabile în condiții specifice; procentul de praf, de unul singur, nu poate determina rezultatul în fiecare disc real.[8], [9]

Imaginați-vă două corpuri solide care se apropie unul de celălalt. Fără atracție reciprocă, suprafețele lor s-ar atinge doar dacă s-ar deplasa pe un interval îngust de traiectorii. Gravitația le curbează traiectoriile, astfel încât unele corpuri care altfel ar trece razant unul pe lângă celălalt se ciocnesc. Această mărire a țintei de coliziune se numește focalizare gravitațională.[10]

În problema izolată a două corpuri, simpla deviere gravitațională a traiectoriei nu poate captura definitiv un corp inițial nelegat gravitațional. Pentru ca un corp să fie capturat pe termen lung, un impact, rezistența gazului sau interacțiunea cu un alt corp trebuie să modifice bilanțul energetic relevant.[11]

Un corp în creștere devine o țintă fizică mai mare și poate beneficia de o focalizare gravitațională mai puternică. Când, datorită acestui avantaj, creșterea sa relativă devine mai rapidă decât cea a corpurilor învecinate mai mici, începe creșterea accelerată în populația de corpuri. Câteva corpuri încep să se distingă de celelalte prin masa lor.[12]

Excitația dinamică și frânarea intră în competiție

Apropierile gravitaționale amplifică mișcarea dezordonată. Rezistența gazului, coliziunile inelastice și schimbul de mișcare între corpuri de dimensiuni diferite pot atenua sau redistribui această excitație. Echilibrul acestor procese modifică frecvența coliziunilor și determină dacă apropierile sunt suficient de blânde pentru ca corpurile să poată acumula material.[10]

Zona de alimentare a unui corp este regiunea din care materialul poate ajunge cu ușurință la acesta. Nu este o limită fixă: împrăștierea, migrarea și particulele solide incidente pot schimba materialul care devine disponibil. Pe măsură ce materialul din imediata apropiere se epuizează, o etapă de creștere poate încetini, în timp ce evoluția sistemului continuă.[13]

Acreția particulelor de praf folosește gravitația și rezistența gazului. Când o particulă solidă mică trece pe lângă un protoembrion mai mare, rezistența gazului îi poate încetini suficient mișcarea relativă, astfel încât să înceapă să cadă lent spre protoembrion, în loc să scape după apropiere. În condiții favorabile, aceasta poate fi o modalitate eficientă de a crește masa.[14]

Aceste categorii descriu procese de creștere și comportament aerodinamic, nu o scară universală care împarte particulele în funcție de un singur diametru definit cu precizie.[15], [12]

Simpla pătrundere într-o regiune gravitațională nu este suficientă

Mărimea numită raza Hill indică scara la care gravitația protoembrionului concurează cu efectul mareic al stelei. Scara Bondi permite compararea efectului gravitației cu presiunea gazului sau cu mișcarea relativă în timpul întâlnirii corpurilor, în funcție de problema analizată. Niciuna dintre ele nu este o suprafață care captează automat tot ce o traversează.[15]

Capturarea cu succes a particulelor de praf depinde de forța totală a rezistenței, durata întâlnirii corpurilor și efectul gravitației protoembrionului. Prin urmare, acreția particulelor de praf necesită un protoembrion deja format; singură, nu explică modul în care s-a format primul protoembrion din granule microscopice.[14]

Nici aportul de material nu este nelimitat. Alte corpuri pot capta materialul aflat în derivă, iar o planetă cu o influență suficient de mare poate modifica profilul de presiune al discului și poate împiedica pietricelele să se deplaseze spre interior. Chiar și mecanismul de creștere rapidă depinde de materialul care ajunge la el.[16]

Viteza impactului, unghiul, raportul maselor și structura internă contribuie la determinarea rezultatului unei coliziuni. Prin urmare, considerarea fiecărei coliziuni drept o fuziune completă poate crea o imagine greșită a formării planetelor.[17]

Aceste rezultate formează un spectru continuu. Unele fragmente se pot reuni sau pot fi ulterior acumulate de alte corpuri, în timp ce altele sunt îndepărtate din procesul local de creștere.[17]

Și interiorul corpurilor mici are o istorie evolutivă

Planetesimalele timpurii ar fi putut fi încălzite de dezintegrarea radioactivă, mai ales de dezintegrarea aluminiului-26. Unele s-au topit și s-au diferențiat în nuclee bogate în metale și straturi exterioare stâncoase; în altele au avut loc reacții între apă și minerale. Astfel, un corp relativ mic putea deveni complex din punct de vedere chimic cu mult înainte de formarea planetelor actuale.[18], [19]

Asteroizi precum „Bennu” pot păstra materialele inițiale și, totodată, pot oferi indicii despre transformările și fragmentarea unui corp-mamă mai mare. Studierea acestor schimbări ajută la reconstituirea originii lor.[19]

Laboratoarele testează comportamentul la contact

Experimentele stabilesc când agregatele se lipesc, ricoșează, se compactează sau se fragmentează. Aceste rezultate impun constrângeri modelelor de coliziune, pe care cercetătorii le aplică ulterior la diverse condiții din disc. Un experiment poate testa comportamentul materialelor fără a recrea întregul sistem planetar.[3]

„Arrokoth” este o mărturie a unei fuziuni lente

Sonda „New Horizons” a vizitat obiectul din centura Kuiper „Arrokoth” în 2019. Într-o analiză publicată în 2020, lobii săi uniți și alte caracteristici au fost considerate indicii ale unei fuziuni lente, compatibile cu formarea prin colapsul unui nor local. Este o constrângere valoroasă pentru modelele de acumulare timpurie a corpurilor, nu o dovadă concludentă a instabilității de flux.[20]

Mostrele de Pargabent dezvăluie atât ingredientele, cât și transformările acestora

Sonda OSIRIS-REx a adus material de pe asteroidul „Bennu” în 2023. Analiza inițială a probei, ale cărei rezultate au fost publicate în 2024, a identificat material bogat în carbon și minerale care indică transformări asociate cu apa în corpul său părinte. Probele au păstrat informații atât despre materialele componente, cât și despre procesele prin care au trecut.[19]

Probele asteroidului „Ryugu”, aduse de sonda „Hayabusa2”, dezvăluie, de asemenea, transformări ample produse în prezența apei. Aceste descoperiri arată de ce „străvechi” și „nealterat” sunt afirmații diferite: istoria înregistrată în minerale poate fi la fel de informativă ca materialul inițial.[21]

Discurile îndepărtate dezvăluie mediul, dar nu fiecare element constitutiv

Telescoapele pot cartografia aglomerările de praf din discurile tinere și praful format în urma coliziunilor din sistemele mai vechi de resturi. De obicei, ele nu permit distingerea planetesimalelor individuale, de mărimea unui kilometru, din sistemele îndepărtate. Cercetătorii compară aceste indicii indirecte cu modelele și verifică, în același timp, dacă aceleași observații ar putea fi explicate prin procese fizice diferite.[22], [23]

Planetesimalele și embrionii planetari care se formează din ele pot deveni parte a planetelor stâncoase și a nucleelor solide ale planetelor gigante. Importanța relativă a acreției planetesimalelor, a captării pietricelelor și a fuziunii embrionilor poate varia de la un sistem la altul.[13]

Planetele gigante trebuie să acumuleze gaz cât timp acesta este încă disponibil

Nucleul nu trebuie să atingă un prag universal de zece mase terestre pentru a putea reține gaz. Formarea unei învelișuri gazoase masive depinde de răcire, de acreția continuă a materialului solid și de rezervele de gaz din disc. Prin urmare, creșterea unei planete gigante trebuie să fie compatibilă cu evoluția și durata de viață a discului său.[24]

Lumile stâncoase pot continua să se formeze chiar și după dispersarea gazului

Embrionii pot continua să se împrăștie și să se ciocnească chiar și după dispariția majorității gazului primordial. Materialul adus din alte părți poate transporta minerale care conțin apă, gheață și compuși organici. Contribuția acestor materiale și momentul în care sunt aduse variază; originea apei de pe Pământ nu poate fi explicată printr-o singură sursă universală, comună tuturor planetelor.[13]

O parte din material rămâne în corpuri mai mici

Nu orice embrion devine parte a unei planete mari. Populațiile rămase de corpuri mici se ciocnesc, iar orbitele lor se schimbă; uneori, în urma acestui proces se formează centuri de resturi observabile. Aceste corpuri supraviețuitoare ne permit să studiem rezultatele formării planetelor, ușor de trecut cu vederea atunci când toată atenția se îndreaptă doar către cele mai mari lumi.[23]