Нова планета починає своє життя в обертовому колі газу та пилу, колисці, відомої як протозоряний диск. Мої колеги та я використовували комп’ютерне моделювання, щоб показати, що новонароджені газові планети в цих дисках, ймовірно, мають напрочуд сплощені форми. Це відкриття, опубліковане в Astronomy and Astrophysics Letters, може доповнити наше уявлення про те, як саме утворюються планети.
Спостереження за протопланетами, які щойно сформувалися і все ще знаходяться в межах своїх протозоряних дисків, надзвичайно складне. Досі спостерігали лише три такі молоді протопланети, причому дві з них в одній системі, PDS 70.
Нам потрібно знайти системи, які є молодими та достатньо близькими, щоб наші телескопи могли виявити тьмяне світло самої планети та відрізнити його від світла диска. Весь процес формування планет триває лише кілька мільйонів років, що є не чим іншим, як кліпом ока в астрофізичних масштабах. Це означає, що нам потрібно мати удачу, щоб зловити їх у процесі формування.
Наша дослідницька група провела комп’ютерне моделювання, щоб визначити властивості газоподібних протопланет за різноманітних теплових умов у колисках планет. Симуляції мають достатню роздільну здатність, щоб можна було відслідковувати еволюцію протопланети в диску з ранньої стадії, коли це просто згущення всередині диска. Таке моделювання потребує обчислень і проводилося на DiRAC, британському астрофізичному суперкомп’ютерному центрі.
Як правило, кілька планет утворюються всередині диска. Дослідження показало, що протопланети мають форму, відому як сплющені сфероїди, як Smarties або M&M, а не сферичні. Вони ростуть, втягуючи газ переважно через свої полюси, а не через екватори.
Технічно планети в нашій Сонячній системі також є сплющеними сфероїдами, але їх сплюснутість незначна. Сатурн має сплощення на 10%, Юпітер – 6%, а Земля – лише 0,3%. Для порівняння, типове сплощення протопланет становить 90%. Таке сплощення вплине на спостережувані властивості протопланет, і це необхідно враховувати при інтерпретації спостережень.
Як починаються планети
Найпоширенішою теорією формування планет є теорія «зростання ядра». Відповідно до цієї моделі крихітні частинки пилу, менші за пісок, стикаються одна з одною, групуються разом і поступово перетворюються на все більші й більші тіла. Фактично це те, що відбувається з пилом під вашим ліжком, якщо його не прибрати. Утворившись досить масивне пилове ядро, воно забирає газ із диска, утворюючи газову планету-гігант. Цей підхід знизу до верху займе кілька мільйонів років.
Протилежним підходом «зверху вниз» є теорія нестабільності диска. У цій моделі протозоряні диски, які супроводжують молоді зірки, є гравітаційно нестабільними. Іншими словами, вони надто важкі, щоб їх підтримувати, тому розпадаються на частини, які еволюціонують у планети.
Теорія акреції ядра існує вже давно, і вона може пояснити багато аспектів формування нашої сонячної системи. Однак нестабільність диска може краще пояснити деякі з екзопланетних систем, які ми виявили в останні десятиліття, наприклад ті, де планета газового гіганта обертається дуже-дуже далеко від своєї головної зірки.
Привабливість цієї теорії полягає в тому, що формування планет відбувається дуже швидко, протягом кількох тисяч років, що узгоджується зі спостереженнями, які свідчать про існування планет у дуже молодих дисках.
Наше дослідження було зосереджено на газових планетах-гігантах, утворених за допомогою моделі нестабільності диска. Вони сплющені, оскільки утворюються в результаті стиснення вже плоскої структури, протозоряного диска, а також через те, як вони обертаються.
Жодної плоскої Землі
Хоча ці протопланети загалом дуже сплощені, їхні ядра, які згодом перетворяться на газові планети-гіганти, як ми їх знаємо, менш сплюснуті — лише приблизно на 20%. Це лише удвічі більше, ніж у Сатурна. Очікується, що з часом вони стануть більш сферичними.
Скелясті планети, такі як Земля і Марс, не можуть утворитися через нестабільність диска. Вважається, що вони утворюються шляхом повільного збирання частинок пилу в гальку, каміння, об’єкти кілометрового розміру і, зрештою, планети. Вони занадто щільні, щоб їх можна було значно сплющити, навіть коли вони нещодавно народжені. Немає ймовірності того, що Земля була сплющена в такому високому ступені, коли вона була молодою.
Але наше дослідження підтверджує роль нестабільності диска у випадку деяких світів у деяких планетарних системах.
Зараз ми переходимо від епохи відкриттів екзопланет до епохи опису екзопланет. Планується запрацювати багато нових обсерваторій. Це допоможе виявити більше протопланет, вбудованих у їхні диски. Прогнози на основі комп’ютерних моделей також стають все більш складними. Порівняння цих теоретичних моделей і спостережень наближає нас до розуміння походження нашої Сонячної системи.