Газовые и ледяные гиганты

Юпитер и Сатурн — газовые гиганты: бо́льшую часть их массы составляют водород и гелий. В них также есть более тяжёлые элементы, распределённые в глубинах, строение которых сложнее, чем у небольшого твёрдого ядра с чёткими границами под газовой оболочкой.[3]

Уран и Нептун тоже имеют оболочки из водорода и гелия, однако бо́льшую часть их массы составляют более тяжёлые элементы. Астрономы традиционно называют их ледяными гигантами, поскольку вода, аммиак и метан могли входить в состав вещества, из которого они сформировались. Само название не означает, что вода составляет в них определённую долю или что их окружает мантия из обычного замёрзшего льда.[4]

Массы округлены по данным о параметрах планет NASA JPL. Это общие массы, а не измерения масс отдельных ядер.[1]

За снеговой линией конкретного вещества местные условия позволяют ему конденсироваться в лёд. Фазовые переходы воды, углекислого газа и угарного газа происходят при разных условиях. Положение этих линий зависит от температуры, давления и эволюции диска, поэтому не существует единой неизменной линии замерзания для всех летучих веществ.[5]

Там, где сохраняется лёд, он увеличивает доступный запас твёрдого вещества. Дрейфующие частицы также могут перераспределять эти ресурсы. Это может помочь растущему телу, однако ни холодная область, ни пересечение водяной снеговой линии не гарантируют образования газового гиганта.[5]

Планета может изменить снабжение собственным веществом

Планета, оказывающая достаточно сильное воздействие, может изменить профиль давления в диске и создать максимум давления за своей орбитой. Это ограничивает поток поступающих камешков. Этот процесс называется изоляцией от камешков. Масса, при которой это происходит, зависит от условий в диске, а мелкие частицы всё же могут проникать дальше.[7]

Изоляция сама по себе не создаёт газового гиганта. Если такое тело слишком мало или его оболочка эволюционирует слишком медленно, оставшегося времени жизни диска может не хватить, чтобы накопить большое количество газа.[7]

Гравитация планет притягивает газ, но сжатие нагревает его. Тогда давление помогает оболочке противостоять гравитации. Чтобы эффективно накапливать больше газа, оболочка должна терять энергию и сжиматься. Из-за необходимости охлаждаться накопление газа поначалу может идти гораздо медленнее, чем можно было бы предположить по простой аналогии с «пылесосом».[8]

Накопление твердого вещества также дает тепло

Твердое вещество, падающее на планету, выделяет энергию. Поэтому продолжающаяся аккреция камешков может поддерживать высокую температуру оболочки. Когда этот нагрев ослабевает, например при прекращении поступления камешков, охлаждение и накопление газа могут ускориться.[9]

Важную роль играет и непрозрачность, которая определяет, насколько легко излучение проходит через вещество. Оболочка, эффективно удерживающая тепло, может эволюционировать иначе, чем та, которая легче излучает энергию. На результат также влияют условия в окружающем диске.[8]

Гравитация самой оболочки приобретает важное значение

По мере накопления газа его собственная гравитация может ускорить сжатие и дальнейшую аккрецию. Когда массы оболочки и ядра становятся сопоставимыми, во многих моделях начинается переход к лавинной аккреции газа: быстрому росту, в ходе которого, пока газ еще есть, может сформироваться планета, состоящая преимущественно из водорода и гелия.[11]

Когда планета уже способна быстро накапливать газ, решающее значение приобретает способность диска его поставлять. Газ должен течь через окружающий диск в окрестности планеты. Рост может ограничивать поступление газа, а не способность оболочки охлаждаться.[10]

Образовавшийся промежуток не останавливает все потоки

Под действием гравитационных моментов массивной планеты вокруг ее орбиты может образоваться промежуток с пониженной плотностью. Образуется ли глубокий промежуток, зависит от гравитации планеты, давления газа и переноса момента импульса в диске. Обычно это область с пониженной плотностью вещества, а не пустая траншея.[12]

Газ может пересекать созданный планетой промежуток и продолжать поступать к планете или во внутреннюю часть диска. Промежуток изменяет поток поступающего газа, но его образование не задает универсальную конечную массу планеты.[10], [13]

Первичный газовый резервуар в конце концов рассеивается

Количество газа уменьшается из-за аккреции на звезду и дисковых ветров. Продолжительность жизни дисков различается; универсального для всех систем интервала в 3–10 миллионов лет нет. Гигант должен накопить свою массивную первичную оболочку из водорода и гелия, пока газовый резервуар еще доступен, хотя столкновения и изменения орбит могут продолжаться и позже.[14]

Формирование ледяного гиганта требует равновесия. В моделях должно накопиться значительное количество тяжёлого вещества, а оболочка из водорода и гелия должна остаться сравнительно небольшой. Условия, при которых твёрдое вещество эффективно накапливается, также могут помочь планете набрать столько газа, что вместо ледяного гиганта она станет газовым гигантом.[16]

Возможные сценарии эволюции различаются временем роста, нагревом от падающего твёрдого вещества и количеством доступного газа по мере рассеивания диска. Утверждение «Они сформировались слишком поздно» может быть частью модели, но это не подтверждённое объяснение того, что произошло с обеими планетами.[16], [9]

Формирование обеих планет должно соответствовать одной и той же меняющейся системе

В исследовании моделирования 2023 года совместно отслеживалась эволюция камешков, планетезималей и газа. Результаты моделирования формирования обеих планет — Урана и Нептуна — были чувствительны к изменениям начальных зародышей планет и истории их роста. Это показывает, почему легче восстановить массу одной планеты, чем объяснить формирование обеих планет в рамках последовательной модели условий в диске.[17]

На их эволюцию также могли повлиять миграция и гигантские столкновения. Их нынешнее расстояние от звезды не указывает на место формирования, а имеющиеся данные не позволяют установить единственную последовательность событий.[4]

Знакомые полосы облаков показывают лишь внешнюю оболочку. Глубоко под ними растущее давление меняет свойства вещества. В недрах Юпитера и Сатурна водород становится плотным флюидом, а при достаточно высоком давлении — электропроводящим металлическим водородом. «Газовый гигант» не означает, что вся планета состоит из обычного газа низкой плотности.[3]

Соотношение льда и пород остаётся открытым вопросом

Современные модели внутреннего строения могут соответствовать имеющимся данным измерений Урана и Нептуна, предполагая как богатый водой, так и богатый породами состав. Вещество недр может находиться в состоянии плотных флюидов или других фаз при высоком давлении. Стандартная схема, в которой небольшое каменное ядро окружено толстой однородной ледяной мантией, — лишь одна из возможных моделей, а не непосредственно наблюдаемое строение.[21]

Из-за перемешивания и эволюции нынешние области ядра не обязательно сохраняют исходное распределение твёрдого вещества планеты.[3]

Изображения дисков показывают их структуру

На снимках ALMA видны кольца, промежутки и другие структуры в излучении пыли. Такие проекты, как DSHARP, подробно картируют эти структуры. Планета может способствовать образованию промежутка, однако один лишь промежуток в пылевом диске не является ни подтверждением наличия планеты, ни однозначной проверкой механизма её формирования.[22]

Молодые планеты показывают продолжающийся рост

В молодой системе PDS 70 обнаружены две протопланеты. Связанное с обеими излучение водорода свидетельствует о продолжающейся аккреции. Такие наблюдения подтверждают, что планеты могут расти в дисках, и помогают проверять модели потоков газа, однако сами по себе они не позволяют установить каждый этап истории формирования.[23]

Атмосферы хранят химические подсказки

По спектрам можно оценить содержание молекул и элементов в доступных для наблюдения областях атмосферы. Эти измерения охватывают конкретные слои; они не показывают напрямую общее количество тяжёлых элементов на планете. Чтобы связать их с формированием, нужны модели аккреции, химических превращений и эволюции диска.[24]

Например, соотношение углерода и кислорода может помочь сравнить сценарии формирования. Оно не позволяет однозначно определить исходное расстояние от звезды: разный химический состав диска, перенос вещества и история миграции могут приводить к схожему составу атмосфер.[24]

Обзоры поисков планет выявляют закономерности во множестве систем

Žvaёздные обзоры методом лучевых скоростей показывают, что в исследованных популяциях гигантские планеты чаще встречаются у звёзд с более высокой металличностью. Исследования, учитывающие массу звёзд, подтверждают связь между количеством доступного твёрдого вещества и формированием гигантских планет. Это статистическая тенденция, а не гарантия для конкретной звезды.[25]

Планета воздействует на свой диск крутящими моментами, а диск — на планету. Даже планета, открывающая в диске щель, может мигрировать. Традиционный термин миграция II типа описывает этот режим, однако движение планеты не обязательно строго связано с вызванным вязкостью течением диска внутрь.[13]

Горячие Юпитеры показывают, насколько разнообразными могут быть конечные результаты: газовые гиганты могут обращаться по орбитам с периодом всего в несколько дней. Среди предлагаемых объяснений их происхождения — миграция в диске, позднее возбуждение вытянутой орбиты с последующим уменьшением орбиты под действием приливных сил, а также формирование вблизи звезды. Единого пути формирования, общего для всех горячих Юпитеров, не установлено.[26]

Эти вопросы связывают массу и состав планеты с окружающей средой, в которой она развивалась.[2], [9], [10]