Gasoviti i ledeni divovi

Jupiter i Saturn su gasni džinovi: najveći deo njihove mase čine vodonik i helijum. Sadrže i teže elemente, raspoređene u njihovoj unutrašnjosti, čija je struktura složenija od malog, jasno ograničenog čvrstog jezgra ispod gasnog omotača.[3]

Uran i Neptun takođe imaju omotače od vodonika i helijuma, ali najveći deo njihove mase čine teži elementi. Astronomi ih tradicionalno nazivaju ledenim džinovima, jer voda, amonijak i metan mogu biti deo materijala od kojeg su nastali. Sam naziv ne znači da voda u njima čini određeni udeo niti da imaju omotač od običnog smrznutog leda.[4]

Mase su zaokružene prema parametrima planeta koje navodi NASA JPL. To su ukupne mase, a ne merenja masa pojedinačnih jezgara.[1]

Iza granice snega određene materije, lokalni uslovi omogućavaju da se ona kondenzuje u led. Fazni prelazi vode, ugljen-dioksida i ugljen-monoksida događaju se u različitim uslovima. Položaj ovih granica zavisi od temperature, pritiska i evolucije diska, pa ne postoji jedna nepromenljiva granica smrzavanja zajednička svim isparljivim materijama.[5]

Tamo gde se led zadržava, on povećava količinu dostupnog čvrstog materijala. Čestice koje plutaju takođe mogu da preraspodele te resurse. To može da pomogne rastućem telu, ali ni hladno mesto ni prelazak granice snega za vodu ne garantuju nastanak gasnog džina.[5]

Planeta može da promeni sopstveni dotok materijala

Planeta čiji je uticaj dovoljno snažan može da promeni profil pritiska u disku i stvori maksimum pritiska izvan svoje orbite. Time se ograničava priliv kamenčića. Taj proces se naziva izolacija od kamenčića. Masa pri kojoj se to događa zavisi od uslova u disku, a sitne čestice ipak mogu da prođu.[7]

Izolacija sama po sebi ne stvara gasnog džina. Ako je telo premalo ili mu se omotač razvija presporo, preostali vek diska možda neće biti dovoljan da se nakupi velika količina gasa.[7]

Planetna gravitacija privlači gas, ali ih sabijanje zagreva. Pritisak zatim pomaže omotaču da se odupre gravitaciji. Da bi efikasno prikupljao više gasa, omotač mora da izgubi energiju i da se skuplja. Zbog potrebe za hlađenjem, nakupljanje gasa u početku može biti mnogo sporije nego što bi se moglo zaključiti na osnovu jednostavne slike „usisivača“.[8]

Akumulacija čvrste materije takođe obezbeđuje toplotu

Čvrsta materija koja pada na planetu oslobađa energiju. Zato kontinuirana akrecija kamenčića može da pomogne da omotač ostane vruć. Kada ovo zagrevanje oslabi, na primer zbog prekida dotoka kamenčića, hlađenje i akumulacija gasa mogu da se ubrzaju.[9]

Važna je i neprozirnost, koja određuje koliko lako zračenje prolazi kroz materijal. Omotač koji efikasno zadržava toplotu može da se razvija drugačije od onog koji lakše zrači energiju. Na ishod utiču i uslovi u okolnom disku.[8]

Gravitacija samog omotača postaje važna

Kako se gas akumulira, njegova sopstvena gravitacija može da ubrza kontrakciju i dalju akreciju. Kada masa omotača postane slična masi jezgra, mnogi modeli predviđaju približavanje odbegloj akreciji gasa: brzom rastu tokom kojeg, dok još ima gasa, može da nastane planeta u kojoj preovlađuju vodonik i helijum.[11]

Kada planeta već može brzo da akumulira gas, presudna postaje sposobnost diska da ga doprema. Gas mora da protiče kroz okolni disk do planetinog okruženja. Rast može da počne da ograničava dotok gasa, a ne sposobnost omotača da se hladi.[10]

Otvoreni procep ne zaustavlja sve tokove

Gravitacioni momenti masivne planete mogu da stvore procep manje gustine oko njene orbite. Da li će se stvoriti dubok procep zavisi od gravitacije planete, pritiska gasa i prenosa količine kretanja u disku. Procep je obično oblast razređenog materijala, a ne prazna brazda.[12]

Gas može da prolazi kroz procep koji je formirala planeta i nastavi da pritiče planeti ili unutrašnjem delu diska. Procep menja protok gasa koji pristiže, ali njegovo otvaranje ne određuje jedinstvenu konačnu masu planete za sve sisteme.[10], [13]

Primordijalna rezerva gasa na kraju se rasprši

Gasa je sve manje zbog akrecije na zvezdu i vetrova iz diska. Životni vek diskova varira; ne postoji univerzalni raspon od 3–10 miliona godina koji važi za sve sisteme. Džin mora da akumulira svoj veliki primordijalni omotač od vodonika i helijuma dok još postoji odgovarajuća rezerva gasa, iako se sudari i promene orbita mogu nastaviti i kasnije.[14]

Formiranje ledenog džina zahteva ravnotežu. U modelima mora da se nakupi dosta težeg materijala, dok omotač od vodonika i helijuma mora da ostane relativno tanak. Uslovi koji omogućavaju efikasno nakupljanje čvrstog materijala mogu takođe pomoći planeti da nakupi toliko gasa da umesto ledenog džina postane gasni džin.[16]

Mogući scenariji evolucije razlikuju se po vremenu rasta, zagrevanju usled upadanja čvrstog materijala i količini gasa dostupnoj dok disk nestaje. Tvrdnja „Nastale su prekasno“ može biti deo modela, ali nije potvrđeno objašnjenje onoga što se dogodilo sa obe planete.[16], [9]

Formiranje obe planete mora da bude usklađeno sa istim promenljivim sistemom

U studiji modelovanja iz 2023. godine zajedno je praćena evolucija kamenčića, planetezimala i gasova. Rezultati modelovanja formiranja obe planete – Urana i Neptuna – bili su osetljivi na promene početnih planetarnih embriona i njihove istorije rasta. To pokazuje zašto je lakše rekonstruisati masu jedne planete nego objasniti formiranje obe planete na osnovu doslednog modela uslova u disku.[17]

Na njihovu evoluciju možda su uticali i migracija i ogromni sudari. Njihove sadašnje udaljenosti ne otkrivaju gde su nastale, a dostupni podaci ne omogućavaju da se utvrdi jedan jedini sled događaja.[4]

Poznati pojasevi oblaka otkrivaju samo spoljašnjost. Duboko ispod njih, sve veći pritisak menja svojstva materije. U dubokoj unutrašnjosti Jupitera i Saturna vodonik postaje gust fluid, a pri dovoljno velikom pritisku električno provodljivi metalni vodonik. „Gasni džin“ ne znači da se cela planeta sastoji od uobičajenog gasa male gustine.[3]

Odnos leda i stena i dalje je otvoreno pitanje

Najnoviji modeli unutrašnje strukture mogu da odgovaraju dostupnim podacima merenja Urana i Neptuna, bilo da predviđaju sastav bogat vodom ili stenama. Materija u dubini može biti u obliku gustih fluida ili drugih faza visokog pritiska. Uobičajena šema, u kojoj malo stenovito jezgro okružuje debeli, jednolični ledeni omotač, jedan je od mogućih modela, a ne neposredno posmatrana struktura.[21]

Zbog mešanja i evolucije, sadašnji regioni jezgra ne moraju da sačuvaju prvobitni raspored čvrstog materijala planete.[3]

Snimci diskova otkrivaju strukturu

ALMA snimci prikazuju prstenove, praznine i druge obrasce zračenja prašine. Projekti poput DSHARP-a detaljno mapiraju ove strukture. Planeta može doprineti nastanku praznine, ali praznina u disku prašine sama po sebi nije ni potvrđena planeta ni jednoznačna provera njenog mehanizma formiranja.[22]

Mlade planete otkrivaju rast koji je još u toku

U mladom sistemu PDS 70 nalaze se dve neposredno otkrivene protoplanete. Zračenje vodonika povezano s obe pruža dokaze o akreciji koja je još u toku. Takva posmatranja potvrđuju da planete mogu da rastu u diskovima i pomažu u proveri modela gasnih tokova, ali sama po sebi nisu dovoljna da se utvrdi svaka faza istorije formiranja.[23]

Atmosfere kriju hemijske tragove

Na osnovu spektara mogu se ograničiti vrednosti zastupljenosti molekula i elemenata u atmosferskim oblastima dostupnim za posmatranje. Ova merenja obuhvataju određene slojeve; ona ne prikazuju neposredno ukupnu količinu teških elemenata na planeti. Da bi se povezala s formiranjem, potrebni su modeli akrecije, hemijskih transformacija i promenljivog diska.[24]

Na primer, odnos ugljenika i kiseonika može da pomogne u poređenju scenarija formiranja. Ne omogućava da se jednoznačno utvrdi početna udaljenost od zvezde: različit hemijski sastav diska, prenos materijala i istorije migracije mogu dovesti do sličnog sastava atmosfere.[24]

Pregledi potrage za planetama otkrivaju obrasce u mnogim sistemima

Pregledi planetarnih sistema na osnovu radijalne brzine pokazuju da se džinovske planete češće nalaze oko zvezda bogatijih metalima. Istraživanja koja uzimaju u obzir masu zvezda podržavaju vezu između količine dostupnog čvrstog materijala i formiranja džinovskih planeta. To je statistička tendencija, a ne garancija za pojedinačnu zvezdu.[25]

Planeta deluje na svoj disk obrtnim momentima, a disk obrtnim momentima deluje na planetu. Čak i planeta koja otvara prazninu u disku može da migrira. Tradicionalni termin migracija tipa II opisuje ovaj režim, ali kretanje planete nije nužno strogo povezano sa protokom diska ka unutra koji je posledica viskoznosti.[13]

Vreli Jupiteri pokazuju koliko krajnji ishodi mogu da se razlikuju: gasni džinovi mogu da kruže po orbitama čiji period traje svega nekoliko dana. Među predloženim objašnjenjima njihovog porekla su migracija kroz disk, kasnije pobuđivanje izdužene orbite praćeno njenim smanjivanjem usled plimnih sila, kao i formiranje blizu zvezde. Nije utvrđen jedan zajednički put nastanka za sve vrele Jupitere.[26]

Ova pitanja povezuju masu i sastav planete sa okruženjem u kojem se razvijala.[2], [9], [10]