Формирование планет из протопланетных дисков
AstroNews.ru - 30 Октября 2021 17:24:32
Планеты и их родительские звезды формируются из одного и того же резервуара вещества звездной туманности, и поэтому их химические составы должны иметь сходство, однако практика наблюдений показывает, что элементные составы вещества планет не полностью совпадают с составами вещества родительских звезд. В нашей Солнечной системе, например, все каменистые планеты и планетезимали имеют близкие к солнечным соотношения между количествами тугоплавких элементов (таких элементов, как алюминий, которые конденсируются из газа при падении температуры ниже 1500 Кельвинов), однако обеднены летучими элементами (такими, как азот). Астрономы полагают, что это стало результатом формирования планет в ходе слияния уже сконденсировавшихся зерен минеральной пыли.
Вначале происходит коллапс ядра холодного молекулярного облака и формирование диска, при этом нагрев со стороны новорожденной звезды (плюс вязкое трение в диске) может вызвать испарение некоторой части первичного сконденсировавшегося материала – обусловливая таким образом повторную череду конденсаций минеральных фаз, но теперь уже в условиях более высоких температур и давлений, которые вдобавок демонстрируют стремительные эволюционные изменения. Астрономы также анализируют метеориты различных классов для определения химического состава их вещества. В зависимости от свойств исходного молекулярного облака и диска температуры, достигаемые в ходе формирования планет, могут оказаться недостаточными для испарения большей части тугоплавких соединений первичного материала. Поскольку различные минералы в планетезималях конденсируются при разных условиях, в разное время и в разных местах, то общая картина оказывается сложной, что затрудняет понимание наблюдаемого химического состава материала планет.
В новом исследовании геолог Михаил Петаев совместно с коллегами смоделировал коллапс ядра молекулярного облака и формирование звезды, диска и планет и проанализировал эволюцию температурного поля диска, чтобы определить порядок конденсации минеральных фаз. Исследователи нашли, что свойства исходного ядра облака оказывают значительное влияние на максимальные температуры, достигаемые в диске, и результирующие составы вещества планет и астероидов; максимальная температура наблюдается вскоре после окончания этапа коллапса – примерно через несколько сотен тысяч лет. Они также нашли, что, хотя элементный состав вещества звезды в целом напоминает состав материала ядра молекулярного облака, звезда оказывается слегка обеднена некоторыми наиболее тяжелыми тугоплавкими элементами – и поэтому состав вещества звезды может оказаться не самой точной аппроксимацией исходного состава ядра коллапсирующего облака. Только ядра облаков с высокими начальными температурами (или медленным вращением диска) позволят сформироваться планетам, материал которых будет богат огнеупорными соединениями. Более того, в работе Петаев и его коллеги приходят к выводу, что для получения составов материала, наблюдаемых в случае метеоритов Солнечной системы и планет земного типа, необходимо либо исходное ядро молекулярного облака с необычными свойствами, такими как температура свыше 2000 Кельвинов (намного выше среднего значения, составляющего около 1250 Кельвинов), или же некий другой источник тепла, который должен поднимать температуру протопланетного диска.
Исследование было опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.