Новое исследование раскрывает подробности образования газовых гигантов из протопланетных дисков. Оказалось, что этот процесс мог происходить быстрее, чем считалось ранее.
Как сформировались газовые гиганты?
Свежий взгляд на прошлые данные показывает, что экзопланеты с массой, подобной юпитерианской, сформировались гораздо раньше, чем считалось до сих пор. Результаты исследования Университета штата Огайо предоставляют новую информацию о времени аккреции — процессе накопления большого количества газа, а также твердых частиц, богатых углеродом и кислородом, для создания крупных планет, таких как Юпитер.
Планеты формируются из протопланетных дисков — вращающихся облаков пыли и газа, которые являются идеальными ингредиентами для формирования планет. Это новое исследование предполагает, что аккреция происходит на ранних стадиях, когда диски массивны и намного младше, чем исследователи считали ранее.
Хотя количество новых подтвержденных экзопланет продолжает расти, происхождение этих миров и влияющие на их формирование факторы все еще остаются загадкой, которую ученые пытаются разгадать. Например, первоначально считалось, что экзопланетам, подобным Юпитеру, для полного формирования требуется от 3 до 5 млн лет; последние наблюдения показывают, что для такого газового гиганта, как Юпитер, этот процесс, скорее всего, длится от 1 до 2 млн лет.
Это открытие бросает вызов существующим теориям исследователей относительно возраста протопланетных дисков, из которых образовались эти планеты, говорит Цзи Ванг, автор исследования и доцент кафедры астрономии в Университете штата Огайо. Результаты исследования могут побуждать ученых к переоценке и пересмотру своих теорий формирования планет в Солнечной системе и других местах.
Теория аккреции ядра
Хотя экзопланеты относятся к планетным объектам, которые вращаются далеко за пределами нашей Солнечной системы, понимание того, как они образуются, может помочь исследователям лучше понять эволюцию Солнечной системы и ранней Земли, формирование которой произошло гораздо позже, чем Юпитера, но все же подверглось значительному влиянию с его стороны.
Интерпретация образования планет «снизу вверх» называется теорией аккреции ядра, но другой возможный вариант — это когда планеты образуются из-за гравитационной нестабильности, когда сгустки в диске вокруг звезды становятся слишком массивными, чтобы поддерживать себя, и разрушаются, образуя планеты. Поскольку история аккреции планеты может быть тесно связана с этими двумя убедительными, но взаимодополняющими механизмами эволюции, важно определить, какой процесс происходит чаще.
В исследовании проанализировали выборку из семи газовых гигантских экзопланет, чьи звездные и планетарные химические свойства уже были непосредственно измерены предыдущими исследованиями, и сравнили с данными о газовых гигантах нашей Солнечной системы — Юпитере и Сатурне.
Твердые вещества, образующие экзопланеты
Ванг показал, что раннее формирование этих экзопланет согласуется с последними данными о том, что Юпитер сформировался гораздо раньше, чем считалось до этого. Такой вывод основывается на удивительно большом количестве твердых веществ, которые аккретировали эти экзопланеты.
Все материалы, накапливающиеся в начале формирования планеты, повышают металличность ее атмосферы, и, наблюдая за следами, которые они оставляют, исследователи могут измерить количество твердых частиц, когда-то собранных планетой.
По словам Ванга, чем выше металличность, тем больше твердых веществ и металлов — всего, что в таблице Менделеева массивнее водорода и гелия. Ученые могут предположить, что было накоплено в процессе формирования планеты.
Новые данные свидетельствуют, что строительные блоки, из которых образовались экзопланеты, были доступны на более ранней стадии эволюции протопланетного диска, чем предполагалось ранее, и их доступность значительно уменьшилась в течение миллионов лет.
Влияние газовых гигантов на формирование других экзопланет
Поскольку газовые гиганты втягивают огромное количество вещества во время аккреции, их формирование и миграция в космосе также влияют на развитие каменистых планет в других частях протопланетного диска. Считается, что в Солнечной системе это явление привело к тому, что Юпитер и Сатурн вытеснили Меркурий с его первоначальной орбиты, а Марс стал намного меньше Земли или Венеры.
Чтобы помочь астрономам, которые стремятся сделать подобный анализ формирования планет в будущем, эта работа также предоставляет статистическую основу для вывода общей массы твердой аккреции для любой другой экзопланеты, которая может стать идеальным инструментом для исследования других видов сложных элементарных данных.
Хотя это исследование опиралось исключительно на архивные данные, Ванг ожидает дополнения новыми данными высокого разрешения, собранными с помощью более совершенных инструментов, таких как мощные наземные астрономические обсерватории или технологии следующего поколения вроде космического телескопа James Webb.
По материалам phys.org
