Аккреция планетезималей

Очень мелкие частицы могут сталкиваться из-за случайного теплового движения, называемого броуновским движением. После мягкого столкновения поверхностные силы могут удерживать их вместе. По мере роста скоплений оседание, турбулентность и неодинаковое движение в газе приводят к новым столкновениям.[2]

Не все столкновения увеличивают массу. Скопления могут сжиматься и отскакивать, терять материал или разрушаться. Результат зависит от скорости столкновения, размера частиц, пористости и состава. Способ роста, подходящий для одного вида пыли, может не подойти для другого.[3]

Лёд меняет условия, но не устраняет проблему

За снеговой линией определённого вещества лёд может стать частью зерна или скопления. Его влияние на слипание зависит от вещества и температуры. Слово «ледяной» само по себе не означает, что каждое столкновение будет мягким или что рост будет продолжаться без препятствий.[4]

Растущие частицы могут дрейфовать внутрь

Там, где давление газа падает с удалением от звезды, поддерживаемый давлением газ движется немного медленнее тела, которое на орбите удерживается только собственным движением. Поэтому на твёрдую частицу, взаимодействующую с этим газом, действует встречный поток, и она может дрейфовать внутрь. Физический размер частиц, наиболее подверженных этому эффекту, зависит от местных условий в газе.[2]

Термин «метровый барьер» охватывает эти трудности роста и дрейфа. Это не универсальное препятствие, возникающее при достижении ровно метрового размера, и не каждой частице остаётся одинаково мало времени до падения на свою звезду.[2]

Один из перспективных путей формирования начинается со скопления множества частиц, а их объединение завершается под действием гравитации. Максимум давления может помочь удержать дрейфующие твёрдые частицы. При подходящих условиях взаимодействие газа и частиц может ещё сильнее усилить их скопление.[5]

Потоковая неустойчивость меняет само течение

На пыль действует аэродинамическое сопротивление газа, но и сама пыль, в свою очередь, влияет на газ. Эта потоковая неустойчивость возникает из-за такого взаимного взаимодействия и относительного движения. Она может усиливаться и без собственной гравитации: изначально это способ скопления частиц, а не сам гравитационный коллапс.[6]

Если скопление становится достаточно плотным, его собственная гравитация может преодолеть рассеивание и разрушительное воздействие орбитального сдвига. Численные модели показывают, что тогда из скоплений частиц могут образоваться гравитационно связанные планетезимали. Их масса и размер зависят от моделируемого диска и условий коллапса.[7]

Единого порога скопления не существует

Важны все эти факторы: связь частиц с газом, содержание твёрдого вещества, турбулентность и фоновый градиент давления. Моделирование помогает выяснить, какие их сочетания приводят к сильному скоплению частиц. Установленные пороговые значения применимы к конкретным условиям; одна лишь доля пыли не может определить результат в каждом реальном диске.[8], [9]

Представьте два твёрдых тела, сближающихся друг с другом. Без взаимного притяжения их поверхности соприкоснулись бы только при движении по узкому диапазону траекторий. Гравитация искривляет их траектории, поэтому некоторые тела, которые иначе едва разминулись бы, сталкиваются. Такое увеличение мишени для столкновения называется гравитационной фокусировкой.[10]

В изолированной задаче двух тел одно лишь гравитационное отклонение траектории не может навсегда захватить тело, изначально не связанное гравитацией. Чтобы тело было захвачено надолго, столкновение, сопротивление газа или взаимодействие с другим телом должны изменить соответствующий энергетический баланс.[11]

Растущее тело становится более крупной физической мишенью и может сильнее фокусировать гравитацию. Когда благодаря этому преимуществу его относительный рост становится быстрее, чем у более мелких соседних тел, в популяции тел начинается ускоренный рост. Несколько тел начинают выделяться своей массой.[12]

Динамическое возбуждение и торможение конкурируют

Гравитационные сближения усиливают хаотическое движение. Сопротивление газа, неупругие столкновения и обмен движением между телами разного размера могут ослаблять или перераспределять это возбуждение. Равновесие между этими процессами меняет частоту столкновений и определяет, достаточно ли мягки сближения для присоединения телами материала.[10]

Зона питания тела — это область, из которой материал может легко попасть к нему. Это не неизменная граница: рассеяние, миграция и поступающие твёрдые частицы могут изменить доступность материала. Когда материал из ближайшего окружения исчерпан, один этап роста может замедлиться, а эволюция системы — продолжиться.[13]

Аккреция камешков использует гравитацию и сопротивление газа. Когда небольшая твёрдая частица пролетает мимо более крупного зародыша, сопротивление газа может достаточно ослабить её относительное движение, чтобы она начала медленно падать к зародышу, вместо того чтобы вырваться после сближения. При благоприятных условиях это может быть эффективным способом наращивания массы.[14]

Эти категории описывают процессы роста и аэродинамическое поведение, а не универсальную шкалу, распределяющую частицы по одному точно заданному диаметру.[15], [12]

Одного попадания в гравитационную область недостаточно

Величина, называемая радиусом Хилла , указывает масштаб, на котором гравитация зародыша конкурирует с приливным воздействием звезды. Масштаб Бонди позволяет сравнить влияние гравитации с давлением газа или относительным движением тел во время сближения, в зависимости от рассматриваемой задачи. Ни один из этих масштабов не является поверхностью, автоматически захватывающей всё, что её пересекает.[15]

Эффективный захват камешков зависит от общей силы сопротивления, длительности сближения тел и влияния гравитации зародыша. Поэтому для аккреции камешков необходим уже сформировавшийся зародыш; сама по себе она не объясняет, как из микроскопических частиц образовался первый зародыш.[14]

Поступление материала тоже не безгранично. Другие тела могут захватывать дрейфующее вещество, а планета с достаточно сильным влиянием может изменить профиль давления в диске и помешать камешкам двигаться внутрь. Даже механизм быстрого роста зависит от поступающего к нему материала.[16]

Исход столкновения определяют скорость удара, угол, соотношение масс и внутренняя структура тел. Поэтому представление каждого столкновения как полного слияния может исказить картину формирования планет.[17]

Эти исходы образуют непрерывный ряд. Некоторые фрагменты могут вернуться или позднее быть собраны другими телами, тогда как другие выпадают из локального процесса роста.[17]

У небольших тел тоже есть своя история развития

Ранние планетезимали могли нагреваться в результате радиоактивного распада, особенно алюминия-26. Некоторые из них расплавились и разделились на богатые металлами ядра и каменистые внешние слои; в других происходили реакции воды с минералами. Таким образом, относительно небольшое тело могло стать химически сложным задолго до формирования планет в их окончательном виде.[18], [19]

Такие астероиды, как «Бенну», могут сохранять исходные материалы, одновременно свидетельствуя об изменениях и разрушении более крупного родительского тела. Изучение этих изменений помогает восстановить их происхождение.[19]

В лабораториях проверяют закономерности контактного взаимодействия

Эксперименты показывают, когда агрегаты слипаются, отскакивают, уплотняются или распадаются. Эти результаты позволяют ограничить модели столкновений, которые исследователи затем применяют к различным условиям в диске. Эксперимент может проверить поведение материала, не воссоздавая всю планетную систему.[3]

«Аррокот» свидетельствует о мягком слиянии

Зонд «New Horizons» посетил объект пояса Койпера «Аррокот» в 2019 году. В анализе, опубликованном в 2020 году, соприкосновение его долей и другие особенности рассматривались как признаки мягкого слияния, согласующиеся с образованием в результате коллапса локального облака. Это важное ограничение для моделей раннего накопления тел, а не однозначное доказательство потоковой неустойчивости.[20]

Собранные образцы раскрывают и состав, и последующие изменения

Зонд OSIRIS-REx доставил образцы с астероида «Бенну» в 2023 году. Предварительный анализ образца, о котором сообщили в 2024 году, выявил богатый углеродом материал и минералы, свидетельствующие об изменениях, связанных с водой, в его родительском теле. В образцах сохранились сведения как о составных веществах, так и о процессах, которым они подверглись.[19]

Образцы с астероида «Рюгу», доставленные зондом «Хаябуса-2», также свидетельствуют о значительных изменениях, происходивших при участии воды. Эти находки показывают, почему «древний» и «неизмененный» — разные утверждения: история, запечатленная в минералах, может быть столь же информативной, как и исходный материал.[21]

Далекие диски раскрывают среду, но не каждый строительный блок

С помощью телескопов можно составлять карты скоплений пыли в молодых дисках и пыли, образовавшейся при столкновениях в более старых системах обломков. Обычно эти наблюдения не позволяют различить отдельные планетезимали километрового размера в далеких системах. Исследователи сопоставляют эти косвенные признаки с моделями и одновременно проверяют, могут ли те же наблюдения объясняться различными физическими процессами.[22], [23]

Планетезимали и образующиеся из них зародыши планет могут стать частью каменистых планет и твердых ядер планет-гигантов. Относительная роль аккреции планетезималей, захвата камешков и слияния зародышей может различаться в разных системах.[13]

Планеты-гиганты должны накопить газ, пока он еще есть

Ядру не обязательно достигать единого универсального порога в десять масс Земли, чтобы вообще удерживать газ. Образование массивной газовой оболочки зависит от охлаждения, продолжающейся аккреции твердого вещества и запасов газа в диске. Поэтому рост планеты-гиганта должен соответствовать эволюции и сроку жизни ее диска.[24]

Каменистые миры могут продолжать формироваться и после рассеяния газа

Зародыши могут продолжать рассеиваться и сталкиваться даже после исчезновения большей части первичного газа. Вещество, принесенное из других мест, может доставлять водосодержащие минералы, лед и органические соединения. Вклад этих материалов и время их доставки различаются; происхождение воды на Земле нельзя объяснить одним универсальным источником, общим для всех планет.[13]

Часть вещества остается в малых телах

Не каждый зародыш становится частью крупной планеты. Популяции оставшихся малых тел сталкиваются, а их орбиты меняются; иногда в результате образуются наблюдаемые пояса обломков. Эти сохранившиеся тела позволяют изучать результат формирования планет, который легко упустить из виду, сосредоточившись только на крупнейших мирах.[23]