Akrecija planetesimala

Veoma sitna zrnca mogu se sudariti usled slučajnog toplotnog kretanja, poznatog kao Braunovo kretanje. Posle blagog sudara, površinske sile mogu ih zadržati zajedno. Kako nakupine rastu, taloženje, turbulencija i različito kretanje kroz gas izazivaju nove sudare.[2]

Ne visi tokie sudari povećavaju masu. Nakupine se mogu sabiti i odbiti, izgubiti materijal ili se raspasti. Ishod zavisi od brzine sudara, veličine čestica, poroznosti i sastava. Način rasta koji odgovara jednoj vrsti prašine možda neće odgovarati drugoj.[3]

Led menja uslove, ali ne uklanja problem

Iza snežne linije određene materije, led može postati deo zrna ili nakupine. Njegov uticaj na slepljivanje zavisi od materijala i temperature. Reč „ledeni“ sama po sebi ne znači da je svaki sudar blag niti da se rast nastavlja bez prepreka.[4]

Čestice mogu da driftuju dok rastu

Tamo gde se pritisak gasa smanjuje s udaljavanjem od zvezde, gas koji podržava pritisak kreće se nešto sporije od tela koje u orbiti održava samo njegovo kretanje. Čvrstu česticu koja je u interakciji s tim gasom pogađa čeoni tok, pa može da driftuje ka unutra. Fizička veličina najugroženijih čestica zavisi od lokalnih uslova u gasu.[2]

Termin „barijera veličine metra“ obuhvata ove teškoće rasta i drifta. To nije univerzalna prepreka koja nastaje čim se dostigne tačno jedan metar, niti svakoj čestici pre nego što dospe do svoje zvezde ostaje podjednako malo vremena.[2]

Jedan perspektivan put formiranja počinje okupljanjem velikog broja čestica, a gravitacija dovršava njihovo spajanje. Maksimum pritiska može pomoći da se zarobe čvrste čestice koje drifituju. Pod odgovarajućim uslovima, interakcija gasa i čestica može dodatno pojačati njihovo grupisanje.[5]

Striming nestabilnost menja samo strujanje

Na prašinu deluje aerodinamički otpor gasa, ali ona zauzvrat deluje i na gas. Ova striming nestabilnost nastaje usled ove uzajamne interakcije i relativnog kretanja. Može da jača i bez sopstvene gravitacije: u početku je to način grupisanja čestica, a ne sam gravitacioni kolaps.[6]

Ako nakupina postane dovoljno gusta, njena sopstvena gravitacija može nadvladati rasipanje i razorno dejstvo orbitalnog smicanja. Numeričke simulacije pokazuju da se tada iz nakupina čestica mogu formirati gravitaciono vezani planetesimali. Njihova masa i veličina zavise od modeliranog diska i uslova kolapsa.[7]

Ne postoji univerzalni prag za grupisanje

Svi ovi faktori su važni: povezanost čestica i gasa, količina čvrstog materijala, turbulencija i pozadinski gradijent pritiska. Simulacijama se ispituje koje kombinacije dovode do snažnog grupisanja čestica. Utvrđeni pragovi važe u konkretnim uslovima; sam procenat prašine ne može odrediti ishod u svakom stvarnom disku.[8], [9]

Zamislite dva čvrsta tela koja se približavaju jedno drugom. Bez međusobne privlačnosti, njihove površine bi se dodirnule samo kada bi se kretala duž uskog raspona putanja. Gravitacija zakrivljuje njihove putanje, pa se sudaraju i neka tela koja bi se inače jedva mimoišla. Ovo povećanje mete za sudar naziva se gravitaciono fokusiranje.[10]

U izolovanom problemu dva tela, samo gravitaciono skretanje putanje ne može trajno da zarobi telo koje u početku nije gravitaciono vezano. Da bi telo bilo dugotrajno zarobljeno, sudar, otpor gasa ili interakcija s drugim telom mora da promeni odgovarajući energetski bilans.[11]

Rastuće telo postaje veća fizička meta i može da ima jače gravitaciono fokusiranje. Kada zbog ove prednosti njegov relativni rast postane brži nego kod manjih susednih tela, u populaciji tela počinje ubrzani rast. Nekoliko tela počinje da se izdvaja po masi.[12]

Dinaminčko pobuđivanje i prigušivanje se nadmeću

Gravitaciona približavanja pojačavaju neuređeno kretanje. Otpor gasa, neelastični sudari i razmena kretanja između tela različitih veličina mogu da ublaže ili preraspodele ovo pobuđivanje. Ravnoteža ovih procesa menja učestalost sudara i određuje da li su bliska približavanja dovoljno blaga da tela mogu da prikupe materijal.[10]

Zona ishrane tela jeste oblast iz koje materijal može lako da stigne do njega. To nije nepromenljiva granica: rasipanje, migracija i pristizanje čvrstih čestica mogu da promene to koji materijal postaje dostupan. Kada se materijal ukloni iz neposrednog okruženja, jedna faza rasta može da se uspori, dok se evolucija sistema nastavlja.[13]

Akrecija kamenčića koristi gravitaciju i otpor gasa. Kada mala čvrsta čestica proleti pored većeg zametka, otpor gasa može dovoljno da uspori njeno relativno kretanje da počne polako da pada ka zametku, umesto da se udalji nakon približavanja. Pod povoljnim uslovima, ovo može biti efikasan način povećanja mase.[14]

Ove kategorije opisuju procese rasta i aerodinamičko ponašanje, a ne univerzalnu skalu koja razvrstava čestice prema jednom tačno određenom prečniku.[15], [12]

Samo ulazak u gravitacionu oblast nije dovoljan

Veličina koja se naziva Hilov poluprečnik opisuje razmeru na kojoj se gravitacija zametka nadmeće sa plimnim uticajem zvezde. Bondijeva razmera omogućava poređenje gravitacionog uticaja sa pritiskom gasa ili relativnim kretanjem tokom bliskog susreta tela, u zavisnosti od razmatranog problema. Ni jedna od njih nije površina koja automatski hvata sve što je preseče.[15]

Uspešno hvatanje kamenčića zavisi od ukupne sile otpora, trajanja bliskog susreta tela i uticaja gravitacije zametka. Zato je za akreciju kamenčića potreban već formiran zametak; sama akrecija ne objašnjava kako je od mikroskopskih zrnaca nastao prvi zametak.[14]

Ni snabdevanje materijalom nije neograničeno. Druga tela mogu da preuzmu materijal koji driftuje, a planeta s dovoljno velikim uticajem može da promeni profil pritiska u disku i ometa tok kamenčića ka unutra. Čak i mehanizam brzog rasta zavisi od materijala koji do njega stiže.[16]

Na ishod sudara utiču brzina udara, ugao, odnos masa i unutrašnja struktura. Zato se sticanjem pogrešne slike o formiranju planeta rizikuje ako se svaki sudar smatra potpunim spajanjem.[17]

Ovi ishodi čine neprekidan niz. Neki fragmenti mogu ponovo da se spoje ili da ih kasnije prikupe druga tela, dok se drugi uklanjaju iz lokalnog procesa rasta.[17]

I unutrašnjost malih tela ima svoju istoriju razvoja

Rane planetesimale moglo je da zagreje radioaktivni raspad, naročito raspad aluminijuma-26. Neke su se istopile i razdvojile na jezgra bogata metalima i stenovite spoljašnje slojeve; u drugima su se odvijale reakcije vode i minerala. Tako je relativno malo telo moglo da postane hemijski složeno mnogo pre nastanka konačnih planeta.[18], [19]

Asteroidi kao što je „Bennu“ mogu da sačuvaju rane sastojke i istovremeno svedoče o promenama i razaranju većeg matičnog tela. Proučavanje ovih promena pomaže u rekonstrukciji njihovog porekla.[19]

U laboratorijama se ispituju obrasci kontakta

Eksperimentima se utvrđuje kada se agregati slepljuju, odbijaju, zbijaju ili raspadaju. Ovi rezultati postavljaju ograničenja za modele sudara, koje istraživači kasnije primenjuju na različite uslove u disku. Eksperiment može da proveri ponašanje materijala, a da pritom ne reprodukuje ceo planetarni sistem.[3]

„Arrokoth“ svedoči o blagom spajanju

Sonda „New Horizons“ posetila je objekat Kajperovog pojasa „Arrokoth“ 2019. godine. U analizi objavljenoj 2020. godine, njegovi spojeni režnjevi i druge osobine tumačeni su kao znaci koji ukazuju na blago spajanje, u skladu s nastankom usled lokalnog kolapsa oblaka. To predstavlja važno ograničenje za modele ranog nagomilavanja tela, a ne nedvosmislen dokaz striming nestabilnosti.[20]

Prikupljeni uzorci otkrivaju i sastojke i njihove promene

Sonda OSIRIS-REx donela je uzorke s asteroida „Bennu“ 2023. godine. U preliminarnom ispitivanju uzorka, čiji su rezultati objavljeni 2024. godine, otkriven je materijal bogat ugljenikom i minerali koji ukazuju na promene izazvane vodom u matičnom telu. Uzorci su sačuvali podatke i o sastavnim materijalima i o procesima kojima su bili izloženi.[19]

Uzorci asteroida „Ryugu“ koje je sonda „Hayabusa2“ donela na Zemlju takođe otkrivaju velike promene nastale pod uticajem vode. Ovi nalazi pokazuju zašto su „drevno“ i „neizmenjeno“ različite tvrdnje: istorija zabeležena u mineralima može biti podjednako informativna kao i početni materijal.[21]

Udaljeni diskovi otkrivaju okruženje, ali ne i svaki građevni blok

Teleskopi mogu da mapiraju nakupine prašine u mladim diskovima i prašinu nastalu sudarima u starijim sistemima krhotina. Oni obično ne mogu da razaznaju pojedinačne planetezimale veličine jednog kilometra u udaljenim sistemima. Istraživači upoređuju ove posredne pokazatelje s modelima i istovremeno proveravaju da li bi ista opažanja mogli da objasne različiti fizički procesi.[22], [23]

Planetezimali i planetarni embrioni koji od njih nastaju mogu postati deo stenovitih planeta i čvrstih jezgara džinovskih planeta. Relativni značaj akrecije planetezimala, prikupljanja kamenčića i spajanja planetarnih embriona može se razlikovati od sistema do sistema.[13]

Džinovske planete moraju da prikupe gas dok ga još ima

Jezgro ne mora da dostigne univerzalni prag od deset Zemljinih masa da bi uopšte moglo da zadrži gas. Formiranje masivnog gasnog omotača zavisi od hlađenja, kontinuirane akrecije čvrste materije i zaliha gasa u disku. Zato rast džinovske planete mora biti usklađen s razvojem i životnim vekom njenog diska.[24]

Stenoviti svetovi mogu nastaviti da se formiraju i nakon rasipanja gasa

Planetarni embrioni mogu nastaviti da se rasipaju i sudaraju čak i nakon što nestane većina prvobitnog gasa. Materijal donet iz drugih oblasti može doneti minerale koji sadrže vodu, led i organska jedinjenja. Doprinos tog materijala i vreme njegovog donošenja se razlikuju; poreklo vode na Zemlji ne može se objasniti jednim univerzalnim izvorom zajedničkim za sve planete.[13]

Deo materijala ostaje u manjim telima

Ne postaje svaka preteča deo velike planete. Preostale populacije malih tela sudaraju se i njihove orbite se menjaju; ponekad se zbog toga stvaraju uočljivi pojasevi krhotina. Ova preostala tela omogućavaju proučavanje ishoda formiranja planeta, koji se lako može prevideti kada je sva pažnja usmerena samo na najveće svetove.[23]