Ей-богу, они сделали его! Планетарные ученые преодолели ключевую проблему в объяснении появления громадин солнечной системы — Юпитер и Сатурн. Предыдущие модели предсказали слишком много газовых гигантов. Но новое исследование показывает, как всего несколько таких монстров должны появиться из циркуляции protoplanetary диск газа и пыли.
“Мы можем теперь начать с довольно простого диска, довольно простой физики, и воспроизвести внешнюю солнечную систему — и это никогда не делалось прежде”, говорит Хэл Левисон, планетарный ученый из Юго-западного Научно-исследовательского института в Валуне, Колорадо, кто привел исследование.Солнечная система на 4,56 миллиарда лет началась второпях. В течение нескольких миллионов лет солнце уже съело большую часть своего диска газа и пыли. Таким образом, Юпитер и Сатурн — которые покрыты огромными конвертами газа — должны были сформироваться быстро, прежде чем тот диск исчез.
Много теоретиков полагают, что газовые гиганты начали со скалистых ядер с массами, равными приблизительно 10 Землям, дав им достаточно силы тяжести для проглатывания их газовых раковин. Но моделирование формирования тех ядер от частей пыли и получение правильного числа ядер в правых орбитах долго бросали вызов планетарным ученым.
Теперь, Левисон и коллеги развили новую модель, предсказывающую формирование всего нескольких газовых гигантов размер Юпитера и Сатурна, как они сообщают сегодня по своей природе.Модель основывается на теории, названной приростом гальки, объясняющим формирование ядер.
Маленькие зерна пыли могут вырасти, как они сталкиваются и склеиваются со статическим электричеством. Но вне определенного размера — приблизительно метра — остановки роста, поскольку столкновения разрывают шар пыли, а не добавляют к нему.
Эта “проблема масштаба метра” преодолевалась приблизительно десятилетие назад, когда теоретики поняли, что галька меньше чем метр в размере постоянно перемещается в ветер прядущего газового диска. Когда они сталкиваются с другой галькой, они наносят удар вместе и используют в своих интересах след на ветру газа, как скапливающиеся птицы. Эти глыбы быстро достигают размера, где они гравитационно связаны с друг другом. “Это решает барьер метра — Вы идете непосредственно от гальки до измеренных вещей 100 километров, почти быстро”, говорит Левисон. Эти «эмбрионы» тогда соединяются и добавляют больше материала, пока они не достигают размера ядра.
Но в простых моделях, прирост гальки имел свою собственную проблему: Это было слишком эффективно. Во многих моделированиях десятках или даже сотни органов размера земли имели тенденцию формироваться.
Таким образом, Левисон говорит, что первоначально намеревался «убивать» теорию прироста гальки. Но он закончил тем, что продвинул его далее, вместо этого. Его бригада нашла, что путем настройки модели так, чтобы процесс формирования гальки взял немного дольше, там пора больше большим планетарным эмбрионам взаимодействовать друг с другом гравитационно. Все кроме самого большого пинают вне самолета солнечной системы, позволяя некоторым, которые остаются вытирать остающуюся гальку и становиться ядрами газовых гигантов.
Пробеги моделирования исследователей — который каждый занимает недели на группе пяти компьютеров — как правило, предсказывают одного – четырех газовых гигантов как Юпитер и Сатурн в орбитах между 5 и 15 астрономическими единицами (AU) от солнца. (AU равен расстоянию между солнцем и Землей с Юпитером в 5,2 а. е. и Сатурном в 9,6 а. е. от солнца.) В качестве награды, говорит, что Левисон, модель создает несколько ледяных гигантов — планеты как Уран и Нептун — в правильном диапазоне орбит. Это также предсказывает, что никакие большие планеты не сформировались бы в поясе Kuiper, регионе маленьких ледяных миров, в которых проживает Плутон.
“Они нашли раствор проблемы слишком многих роста планет”, говорит Андерс Йохансен, астрофизик в университете Лунда в Швеции, помогший развить теорию прироста гальки. “Это о предоставлении силы тяжести большего количества времени, таким образом, большие эмбрионы могут запугать маленькие”.Другие планетарные теории формирования все еще цепляются за жизнь, как бы то ни было. Алан Босс, теоретик в Институте Карнеги для Науки в Вашингтоне, округ Колумбия, выдвинул идею, названную гравитационной нестабильностью, в которой особенно холодный и крупный protoplanetary диск может развить рябь, которая может соединиться в газовых гигантов, с или без ядер. Босс отмечает, что некоторые экзопланеты, намного более крупные, чем Юпитер, сидят в обширных десятках орбит или сотнях AU от их звезд.
На тех расстояниях для ядер может быть трудно сформироваться, потому что популяция гальки, как думают, вымирает с расстоянием. Гравитационная нестабильность могла бы объяснить те планеты лучше, чем основной прирост, говорит Босс. “Я думаю, что существует комната для обоих механизмов”, говорит он.Однако, Эндрю Юдин, астроном в Аризонском университете, Тусон, думает, что гиганты с отдаленными орбитами могут быть аномалиями. Он предсказывает, что с дальнейшими наблюдениями, более «нормальные» газовые гиганты будут найдены, такой, как один описал на прошлой неделе, который имеет дважды массу Юпитера и вращается вокруг ее звезды в 13 а. е. Это уплотнило бы основной прирост как предпочтительную теорию. “Люди сказали бы, что это – преобладающая гипотеза”, говорит он.
Йохансен также поощрен недавним открытием от ALMA, множества подмиллиметра телескопов в Чили, молодых планет широкие ясные пути через зерна пыли размера миллиметра в protoplanetary диске не больше, чем миллион лет. Наблюдение показывает, что галька остается многочисленной на временных рамках, которые предлагает Левисон, говорит Йохансен. “Кажется, что protoplanetary диски являются действительно хорошими фабриками гальки”, говорит он.
Левисон говорит, что затем поворачивается к моделированию внутренней солнечной системы, где скалистые планеты, как думают, формировались намного более медленно. Это, объединенное с более короткими периодами обращения планет, прилагает намного более жесткое усилие по моделированию.