Един от най-наболелите въпроси на съвременната астрономия е свързан с формирането на планетите. Можем да видим по-задълбочено от всякога в много млади слънчеви системи, където планетите се оформят в дисковете около млади звезди. Но наблюденията се затрудняват заради многото газ и прах в тези млади системи.

Картината на формирането на планетите стана още по-мъглява с откритието, че някои млади планети са оформени по-скоро като дискове, отколкото като сфери.

Съществуват две основни теории за образуването на планетите, като и двете започват от звездите.

Звездите се раждат в гигантски молекулярни облаци от водород. Поради естествената променливост в тези облаци се образуват плътни ядра от материал. Тъй като тези ядра натрупват все повече и повече материал, накрая те образуват протозвезда. Протозвездите все още не са започнали термоядрен синтез и са заобиколени от газ и прах от първичния облак. Този резервоар от газ и прах се нарича звездна мъглявина.

Когато протозвездата започне да се върти, соларната мъглявина започва да се сплесква във въртящ се диск. Нарича се протопланетарен диск и именно тук се формират планетите според два теоретично обосновани процеса.

Тази снимка е от ALMA - Голямата милиметрова и субмилиметрова решетка на Атакама (Atacama Large Millimetre-submillimetre Array) - и показва протопланетния диск около млада звезда на име HL Tauri. Тези наблюдения на ALMA разкриват подструктури в диска, които показват възможните позиции на планети, формиращи се в тъмните участъци в системата.

Тъй като планетите натрупват маса, те "прокарват" пътища в диска от материя, създавайки тъмните пролуки. Почти невъзможно е да се видят действително формиращи се планети. Кредит: ALMA.

Един от тези процеси е теорията за акрецията на ядрото. При акрецията на ядрото в диска се образуват планети и в крайна сметка доста от тях се обединяват чрез сблъсъци, за да образуват скалисто ядро. Скалистото ядро продължава да акумулира още материал от диска чрез сблъсъци. След като ядрото стане достатъчно масивно, то може да привлече атмосфера. Акрецията на ядрото обяснява как скалисти планети като Земята се формират като сфери.

Но теорията за акрецията на ядрото има ограничения. Тя не може да обясни как се формират газовите гиганти, тъй като акрецията на ядрото би продължила цяла вечност, за да се прояви планета като Юпитер. Тя не може да обясни добре и луните.

Вместо това теорията за фрагментация на акреационния диск или нестабилност на диска обяснява как газовите гиганти могат да се формират на по-широки орбити от земните планети. Поради нестабилността на протопланетния диск в него бързо се образуват масивни струпвания с размерите на планети, които с гравитацията си привличат повече материал към себе си. С течение на времето се образуват планети като Юпитер и Сатурн. Тази теория по-добре обяснява някои наблюдения на екзопланети как големите планети могат да се формират много бързо на големи разстояния от звездата домакин.

Самогравитиращи протозвездни дискове около звезди с различен диапазон маси. Кредит: Cadman, J., Rice, K., et al., 2020, Fragmentation favoured in discs around higher mass stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 492, 5041

Ново изследване, което ще бъде публикувано в списание Astronomy and Astrophysics, представя доказателства, че младите планети, които се формират в резултат на нестабилност на диска, не са сферични. Вместо това те са обли сфероиди. Изследването е озаглавено "Триизмерна структура на протопланети с нестабилност на диска", а авторите са Адам Фентън (Adam Fenton) и Димитрис Стамателос (Dimitris Stamatellos). Фентън и Стамателос са от Института по математика, физика и астрономия "Джеремая Хорокс" към Университета на Централен Ланкашир.

"През последните три десетилетия бяха открити много екзопланети, които са планети, обикалящи около звезди в други слънчеви системи извън нашата", обяснява Фентън в прессъобщение, придружаващо изследването. "Въпреки че са наблюдавани хиляди от тях, начинът, по който те се формират, остава необяснен."

Да се обясни как се образуват планетите чрез наблюдение е изключително трудно. Младите планети са забулени от газта и праха в диска. В това изследване двамата използват суперкомпютър, за да извършат усъвършенствани симулации на формирането на планети с широка орбита чрез процеса на нестабилност на диска.

Това изображение е моментна снимка от симулациите. Цветовата скала показва плътността на материала. Дискът е станал нестабилен и фрагментиран и се образуват струпвания на материал. Тези струпвания представляват планети. Кредит: Fenton and Stamatellos 2024.

Изследователите се фокусираха върху формите, които приемат младите планети, и как те могат да се превърнат в масивни гиганти като Юпитер. В симулациите си те са променяли неща като температурата на диска и плътността на газа.

"Това беше изключително сложен изчислителен проект, изискващ половин милион процесорни часа на британската високопроизводителна изчислителна база DiRAC", разказва Фентън. "Но резултатите бяха невероятни и си заслужаваха усилията."

Най-изненадващият резултат от симулациите е, че планетите, формиращи се поради нестабилност на диска, имат формата на Smarties - обли сфероиди.

"Отдавна изучаваме формирането на планети, но никога досега не бяхме мислили да проверим формата на планетите, докато се формират в симулациите", каза съавторът Димитрис Стамателос. "Винаги сме предполагали, че те са сферични."

"Бяхме много изненадани, че те се оказаха обли сфероиди, доста подобни на кръгли таблетки."

Като цяло резултатите от симулацията показаха, че триизмерната структура на екзопланетите, които се формират чрез нестабилност, се оформя от средата в диска. Взаимодействието със спиралните ръкави на галактиката и дори минали сливания могат да допринесат за формата, особено на външните области на екзопланетите. Но независимо от това повечето от тях са обли сфероиди. 

"По-голямата част от протопланетите, които се формират в симулациите, са по-скоро обли сфероиди, отколкото сферични, и по-бързо нарастват в своите полюси", обясняват изследователите.

На тази фигура от изследването са показани векторите на скоростта на газа, който се натрупва върху планетата. Стрелките показват посоката, а дължината на опашката - скоростта. По-дългите опашки показват по-високи скорости. Симулациите показват, че планетите, формиращи се чрез нестабилност и фрагментация на диска, акумулират газ в полярните посоки. Цветът показва плътността на газа. Кредит на изображението: Fenton and Stamatellos 2024.

Що се отнася до прякото наблюдение на екзопланети по време на тяхното формиране, трябва да почакаме още малко. Предстоящи телескопи като гигантския телескоп Магелан и Европейския изключително голям телескоп (E-ELT - European Extremely Large Telescope) ще ни доближат до възможността да наблюдаваме екзопланети в детайли. За E-ELT се говори, че ще може да вижда отделни големи екзопланети. Тези телескопи ще се появят за първи път след няколко години.

Тези симулации показват, че ъгълът на наблюдение може да бъде от ключово значение. Отгоре тези планети изглеждат като сфери, но отстрани става ясно, че те са плоски. Под неправилен ъгъл е възможно да се разбере погрешно процесът на формиране на планетите.

"Триизмерната структура на дисково нестабилните протопланети се очаква да повлияе на наблюдаваните им свойства и трябва да се вземе предвид при интерпретирането на наблюденията на протопланети, вградени в техните родителски дискове", пишат авторите.

Справка: The 3D structure of disc-instability protoplanets; Adam Fenton, Dimitris Stamatellos; https://arxiv.org/abs/2402.01432 

Източник: Some Young Planets Are Flattened Smarties, not Spheres, Universe Today

Още по темата

02/05/2023

Физика

Черните дупки се справят с парадоксите, разрушавайки квантовите състояния

27/04/2023

Космос

Първо директно изображение на черна дупка, изхвърляща мощна струя

15/06/2022

Космос

Ренгеновата астрономия и може ли да бъде похитен космически телескоп?

12/05/2022

Космос

Първото изображение на свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път (видео)