Рождение планет: протопланетные диски
Как из газопылевого диска вокруг молодой звезды вырастают планеты: от пылинок до планетезималей, ядра газовых гигантов, миграция и то, что видят ALMA и «Уэбб».
Планеты — не отдельное событие, а побочный продукт рождения звезды. Когда облако газа и пыли сжимается в звезду, вращение не даёт всему веществу упасть в центр: часть собирается в плоский вращающийся диск. Его называют протопланетным. Из такого диска около 4,6 млрд лет назад выросла и Солнечная система («Рождение Солнца»).
Из чего состоит диск
Диск почти целиком газовый: по массе в нём около 99 % водорода и гелия и около 1 % пыли и льда. Но именно этот один процент — материал для планет земного типа, ядер планет-гигантов, комет и астероидов. Диск живёт недолго: газ рассеивается под действием излучения и ветра молодой звезды, и по наблюдениям это занимает несколько миллионов лет, у большинства звёзд — не больше 10 млн лет. Значит, газовые планеты должны вырасти быстро.
Как растёт планета
- Пылинки слипаются. Микронные пылинки сталкиваются и прилипают друг к другу, вырастая в песчинки и камешки сантиметрового размера.
- Галька. Камешки в газовом диске дрейфуют к звезде. Считается, что их быстрый рост помогает «сбор гальки» (pebble accretion): уже крупное тело притягивает камешки, которые пролетают рядом.
- Планетезимали. Тела километрового размера, у которых уже есть заметное тяготение, продолжают расти, сталкиваясь друг с другом.
- Протопланеты и планеты. За десятки миллионов лет из них собираются каменистые планеты. Так выросла и Земля, а её столкновение с телом размером с Марс породило Луну.
- Газовые гиганты. Если ядро успело вырасти примерно до 10 масс Земли, пока газ ещё был в диске, оно начинает быстро захватывать газ вокруг себя и превращается в гиганта («Планеты-гиганты»). Альтернативная гипотеза — диск сам сгущается под действием собственного тяготения, но для большинства планет её считают менее вероятной.
Линия льда
Температура в диске падает с удалением от звезды. На расстоянии, где вода замерзает (в ранней Солнечной системе — примерно на 3 а. е. от Солнца, между Марсом и Юпитером), появляется «линия льда». Внутри неё остаются тугоплавкие камни и металлы — материал земной группы; снаружи лёд добавляет твёрдого вещества, и ядра успевают вырасти настолько, чтобы собрать газ. Поэтому у нас внутри маленькие каменные планеты, а снаружи гиганты.
Планеты не стоят на месте
Планеты могут смещаться, обмениваясь моментом импульса с диском или друг с другом. Именно миграцией объясняют «горячие юпитеры» — газовые гиганты на орбитах в несколько суток, открытие которых («Экзопланеты») удивило астрономов. Следы миграции видны и у нас: пояс Койпера и орбиты малых тел («Малые тела») выглядят так, будто гиганты когда-то перестроили орбиты друг друга.
Что видят телескопы
- HL Tau. В 2014 году ALMA («ALMA») показала молодую звезду HL Tau, диск которой разделён тёмными кольцами. Считается, что кольца могут отмечать места, где растут планеты, хотя это лишь одно из объяснений.
- PDS 70. У этой звезды в созвездии Центавра наблюдали сразу две растущие планеты: PDS 70 b телескоп VLT получил на снимке в 2018 году, а PDS 70 c — в 2019 году. Планеты внутри полости диска собирают газ, и их свечение удалось зафиксировать.
- «Уэбб». Инфракрасный телескоп видит в дисках водяной пар, угарный газ и силикаты, то есть сам состав вещества, из которого строятся планеты.
Рождение планет — одна из самых активных областей астрономии: теория пока объясняет не всё, например быстрый рост ядер в самых далёких частях дисков.