Формування уолінських світів

Диск молодої зорі зазвичай гарячіший поблизу зорі, хоча нагрівання також змінюється залежно від висоти, акреції та тіней. Силікатні мінерали й метали можуть залишатися твердими за температури, за якої багато летких речовин перебувають у газоподібному стані. Ці термостійкі, або рефрактерні, матеріали становлять значну частину маси кам’янистої планети.[2]

Снігова межа залежить від конкретної речовини

Так звана водяна снігова межа позначає перехід між водяною парою та водяним льодом за місцевих умов. Вуглекислий газ і чадний газ мають власні межі переходу. Коли диск змінюється, ці межі рухаються; немає сталої відстані, яка відділяє всі гірські породи від усього льоду.[3]

Речовина без льоду не обов’язково позбавлена водню чи всіх водовмісних сполук. Частина їх може бути зв’язана в мінералах чи інших твердих фазах, а речовина може прибути звідкись іще. Хімічний склад диска та перенесення речовини ускладнюють уявлення про однорідно суху внутрішню область.[4], [5]

Нинішня орбіта планети не свідчить про місце її народження

Тверда речовина дрейфує, тіла гравітаційно розсіюють одне одного, а планети, що ростуть, обмінюються моментом імпульсу з диском. Тому кам’янистий світ може накопичити речовину з кількох зон і зрештою опинитися на іншій орбіті, ніж та, на якій сформувалися його найперші зародки.[6]

Спершу пил має пройти складні етапи злипання, фрагментації та дрейфу. Скупчення частинок можуть колапсувати під дією власної гравітації й утворювати планетезималі. Уже сформовані зародки згодом можуть рости, стикаючись із планетезималями, захоплюючи камінці за допомогою газу або обома цими способами.[2]

Гравітаційне фокусування може допомогти більшим тілам стикатися з більшою кількістю речовини. Під час самоприскорюваного росту деякі тіла пропорційно ростуть швидше за менших сусідів. Згодом їхній гравітаційний вплив збурює рух навколишніх тіл, збільшуючи швидкість зближень і послаблюючи колишню перевагу.[7]

Найбільші тіла починають домінувати у своєму оточенні

Під час олігархічного росту кілька ембріонів приблизно однакової маси починають домінувати в сусідніх зонах збирання речовини. Вони збурюють рух менших тіл і поглинають їх, водночас обмежуючи запаси речовини, безпосередньо доступні одне одному. Речовина, що прибуває ззовні, усе ще може змінити цю рівновагу.[8]

Опір газу та гравітаційна взаємодія з диском можуть пригнічувати збудження орбіт, а моменти сил, що їх чинить диск, можуть спричиняти міграцію. Поки газ іще є, ембріони можуть зіткнутися або зафіксуватися в конфігураціях взаємопов’язаних орбіт. Коли газ розсіюється, деякі конфігурації стають нестабільними, тож можливі нові тісні зближення.[6]

Зіткнення планетних ембріонів може змінити форму обох тіл. Залежно від швидкості, кута та співвідношення мас, вони можуть злитися, обмінятися речовиною й розлетітися або втратити значну кількість речовини у вигляді уламків. Вивільнена енергія може розплавити чи випарувати породи й змінити атмосферу. Після гігантського зіткнення не завжди залишається одна більша цілісна планета.[9]

Ці можливості залежать від конкретного зіткнення. Якщо моделювати кожне зіткнення як повне злиття, важливі можливі наслідки не враховуються.[9]

Місяць свідчить про одну особливо важливу подію

Основна група моделей походження Місяця пов’язує його формування з гігантським зіткненням, якого зазнала Земля, що росла. Дослідники перевіряють сценарії зіткнення за рухом системи Земля-Місяць, складом Місяця та вимірюваннями ізотопів. Властивості тіла, що зіткнулося із Землею, геометрія зіткнення та подальша еволюція досі активно досліджуються.[10]

Різні годинники фіксують різні етапи зростання

За багатьма моделями, Земля формувалася десятки мільйонів років. Схоже, Марс набрав більшу частину своєї маси раніше, але точний перебіг його зростання залежить від інтерпретації ізотопних даних і хімічного перемішування під час зіткнень.[7], [11]

Розсіювання газу, гігантські зіткнення, формування ядра й охолодження відбуваються паралельно. Не існує універсальної послідовності, за якою один процес скрізь завершувався б до початку іншого.

Планети, що ростуть, мають кілька джерел тепла. Зіткнення перетворюють енергію руху на тепло, гравітаційне розділення речовини вивільняє енергію, а радіоактивні елементи розпадаються. Алюміній-26 був особливо важливим для тіл, що сформувалися достатньо рано, аби містити значну кількість цього короткоживучого ізотопу.[13]

Залізні метеорити свідчать, що деякі ранні планетезималі вже мали металеві ядра, утворені внаслідок диференціації. Тож планета могла формуватися з тіл, у яких складові речовини почали відокремлюватися задовго до того, як планета досягла остаточної маси.[14]

Диференціація відбувається в міру зростання планети

Коли метал може відокремитися від силікатної речовини, щільна рідка металева речовина може рухатися до центра й сприяти формуванню ядра. Навколишні силікати становлять більшу частину мантії. Хімічні реакції, тиск, температура та вміст кисню впливають на розподіл елементів між цими областями.[15]

Магматичний океан — етап, а не постійний стан мантії

Інтенсивне нагрівання може утворювати великі області розплавлених силікатів, які іноді називають магматичним океаном. Під час охолодження можуть формуватися кристали, хімічні речовини перерозподіляються, а леткі речовини можуть обмінюватися з атмосферою. Пізніші зіткнення можуть частково знову розплавити тіло й повторно запустити деякі з цих процесів. Формування кори та подальше плавлення й далі перебудовують зовнішню частину планети.[13]

Під дією постійних напружень протягом тривалого геологічного часу тверді породи також можуть повільно текти. Мантія, у якій відбувається конвекція, не обов’язково є океаном рідкої магми, що охоплює всю планету.[16]

Вода може надходити на планету не лише після завершення її росту. Початкові водневмісні речовини, прибуття багатих на воду тіл і хімічний обмін під час акреції могли поповнити її запаси води. Відносну важливість цих джерел іще досліджують.[5]

Термін «пізнє доповнення» (англ. late veneer) описує відносно невелике надходження речовини після основного етапу формування ядра, масштаби якого частково визначають за даними про хімічний склад мантії. Цим терміном не слід називати все надходження води на Землю.[17]

Запаси води планети можуть охоплювати й воду, розчинену в розплаві або вбудовану до складу мінералів. Самі лише видимі моря не показують усього, що планета отримала чи зберегла.[18]

Поки гази диска ще не розсіялися, тіла, що ростуть, можуть притягувати водень і гелій. Вивільнення газів із надр і удари також можуть поповнювати атмосферу газами; здатність утримувати їх залежить від маси тіла, температури та активності зорі.[19]

Виділення газів та охолодження взаємопов’язані

Зі зміною умов із розплавлених надр можуть виділятися гази. Вони впливають на те, наскільки ефективно планета віддає тепло в космос. Густа атмосфера з водяної пари може сповільнити охолодження; за відповідних умов вода згодом може конденсуватися в міру охолодження. Еволюція атмосфери пов’язана з процесами під нею.[18]

Атмосфери також можуть втрачати речовину

Випромінювання зорі та удари можуть позбавити планету атмосферних газів. У верхніх шарах атмосфери молекули води можуть розщеплюватися, а водень — виходити в космос; запаси води, наявні на ранніх етапах, не обов’язково зберігаються.[19]

Ці вимоги докладніше розглядаємо у статті «Поняття зони, придатної для життя». Тут найважливіше те, що поверхня планети є наслідком як її формування в міру накопичення речовини, так і подальших змін.

Маса та радіус допомагають точніше оцінити склад

Транзити допомагають виміряти радіус планети відносно радіуса її зорі. Рух зорі, а у відповідних системах — і взаємодія між планетами допомагають визначити межі маси. За масою та радіусом обчислюють середню густину, яку можна порівняти з моделями гірських порід, металів, води та газів.[21]

Тій самій виміряній масі та радіусу можуть відповідати кілька різних варіантів внутрішньої будови. Навіть невелика газова оболонка може істотно змінити розмір планети. Тому оцінки надр планети, отримані таким чином, є діапазонами, заснованими на даних і припущеннях, а не прямим зображенням ядра.[21]

Поширеність хімічних елементів у зорях дає додаткові підказки про доступні кількості заліза, кремнію та магнію. У поєднанні з масою та радіусом ці дані допомагають звузити множину ймовірних моделей внутрішньої будови, хоча невизначеність щодо складу та перетворень речовини на планеті зберігається.[22]

Зоряні залишки розкривають хімічний склад зруйнованих тіл

Деякі білі карлики притягують уламки планетних тіл. Лінії поглинання важких елементів у спектрах їхніх атмосфер дають змогу астрономам відтворити певні особливості складу цієї речовини. Результати розкривають складники кам’янистих тіл за межами Сонячної системи, а в деяких випадках — і ознаки диференціації. Однак вони не дають змоги однозначно визначити, де сформувалося первинне тіло.[24]

Пил дає непрямі свідчення зіткнень, що відбуваються

У дисках уламків може бути пил, запаси якого поповнюються внаслідок зіткнень більших тіл. Теплий пил може свідчити про активність твердих тіл поблизу зорі, але сам по собі він не дає змоги ідентифікувати зіткнення, під час якого формується планета земного типу, або довести наявність там кам’янистої планети.[25]

«Psyche» досліджуватиме можливий залишок ранньої диференціації

Космічний апарат NASA «Psyche» призначений для дослідження з орбіти вибраного багатого на метал астероїда — вимірювання його складу, гравітації та магнітних властивостей. Одна з цілей — перевірити, чи містить астероїд матеріал ядра планетезималі. Його точне походження досі залишається відкритим питанням.[26]

Моделі формування мають пояснювати цілі системи: кількість планет, їхні маси, відстані між ними, склад і тіла меншого розміру, що збереглися. Зміна розподілу й постачання твердої речовини, впливу планет-гігантів або часу міграції може одночасно змінити кілька результатів формування.[1]

Лише за орбітою планети ми не можемо дізнатися, як відбувалися ці процеси.[1], [9], [19]

Корисна модель формування не просто відтворює одну знайому планету. Вона дає прогнози, які можна порівняти з даними метеоритів, вимірюваннями планет, спостереженнями дисків і дедалі більшим розмаїттям екзопланетних систем.[1]