Происхождение каменных планет
Конденсация пылевых частиц

Наша звезда, как предполагается, образовалась из протосолнечной туманности (состоящей более чем на 90% из водорода и гелия), которая являлась остатками взорвавшейся древней звезды-предшественницы первого галактического поколения, когда-то синтезировавшей не только гелий, но и, видимо, все остальные элементы периодической системы, тогда как само Солнце синтезирует из водорода только гелий.

 

Деформация протопланетного диска способствует гравитационной нестабильности и мешает процессу формирования планет. Кроме того деформация приводит к разогреванию диска, что также не способствует образованию новых объектов – пыль и газ должны быть холодными, чтобы слипаться. Причинами искривления протопланетных дисков могут быть гравитационные сдвиги, вызванные, например, другими звездами, прошедшими близко от системы. Также деформация может возникнуть, если диск образовался вокруг двойной звездной системы

 

Протопланетный диск вокруг молодой звезды AS 209, расположенной в созвездии Змееносца на расстоянии 410 световых лет от Солнца. Фото комплекса радиотелескопов ALMA

Этап формирования протопланетного диска и стадии коллапса ПротоСолнца занял около 5 млн лет.
Быстрое сжатие протозвезды в центре туманности могло вызвать волновые возмущения в облачной туманности в виде круговых волн, что могло привести к разделению диска на протопланетные кольца. Затем по мере своего формирования Солнце отодвигало от себя протопланетное облако путем передачи углового момента количества движения, в результате чего туманность приобрела форму диска с дифференциальным вращением, которое привело к сжатию облака.
После прекращения сжатия вещество в облаке охлаждалось и конденсировалось в пылевые кристаллические и аморфные частицы размером в доли микрона, состоящие из льда летучих веществ, силикатов, железа графита, окислов металлов или из их смеси, а также из композитных частиц в виде тугоплавкого ядра, покрытого оболочкой из намёрзших газов. Кроме того возобновили рост ранее существовавшие досолнечные частицы.

Хаотические турбулентные скорости пылевых частиц пылевого диска были не слишком велики, в то время как плотность пылевого слоя оказалась достаточно велика для того чтобы началось развитие гравитационной (джинсовой) неустойчивости и появление первичных пылевых кластеров, которые формировались путем гравитационно-электрического слипания частиц.
Кроме того и, возможно более важным условием для формирования кластеров является процесс потоковой неустойчивости, имеющий гидродинамическую природу. Потоковая неустойчивость это различие между скоростями пылевой и газовой фаз, в результате которого пыль концентрируется в компактные структуры.
Плотность пылевых образований при возникновении потоковой неустойчивости может превышать локальную плотность газа в несколько сот раз, что превышает критическое значение для гравитационной неустойчивости, и потому потоковая неустойчивость может наступить раньше гравитационной и быть более эффективной.


Тем временем пыль, оседая сквозь газ, образовала в окрестности экваториальной плоскости газопылевого облака наиболее густой пылевой слой. В этом слое концентрировались крупные кластеры, где имели больше возможностей для своего роста.

Так как скорость орбитального движения газа меньше, чем у твёрдых частиц на том же расстоянии от звезды, пылинки размером в несколько миллиметров тормозились встречным солнечным ветром, который вынуждал их по спирали опускаться к Солнцу. По мере приближения к звезде, пылинки нагревались, а содержащиеся в них фракции с низкой температурой кипения испарялись и уносились дальше от Солнца. Этот процесс привел к образованию в протопланетном диске так называемых «линий льда», на которых температура становится достаточно низкой для того, чтобы летучие соединения (такие как вода, аммиак, метан и другие) переходили в твёрдое состояние. Так для воды линия льда в настоящее время проходит на расстоянии 2,7-3,1 астрономических единиц (астрономическая единица – расстояние от Земли до Солнца – 149 597 870 км), – это между орбитами Марса и Юпитера, в поясе астероидов. Еще дальше следуют линии льда углекислого газа, метана и так далее.
Процесс испарения привел к разделению диска на внутреннюю область, обедненную летучими веществами и обогащенную тугоплавкими телами, и внешнюю область, богатую летучими и содержащую ледяные тела. В конечном итоге во внутренней области сформировались каменные планеты земной группы и пояс астероидов, а во внешней образовались газо-жидкие гигантские планеты, однако имеющие среди своих спутников и каменные планеты, среди которых Ганимед – спутник Юпитера. (Ганимед имеет диаметр 5262 км, что больше на 8%, чем у Меркурия, и в два раза по массе превосходит Луну. Ганимед примерно пополам состоит из силикатных пород, слагающих внешнюю оболочку планеты, и из воды во внутренних слоях в виде льда и жидкости.)

При достаточном уплощении пылевого диска плотность пыли в экваториальном слое, достигнув некоторого критического значения, вызвала гравитационную неустойчивость, что привело к распаду диска на многочисленные пылевые сгущения. В районах с высокой плотностью этих сгущений последующая эволюция привела к возникновению локальных уплотнений, то есть к образованию роя первичных газопылевых агломератов, послуживших основой зародышей рыхлых планетезималей (планетезима́ль — небесное тело на орбите вокруг звезды, образующееся в результате постепенного приращения более мелких тел, состоящих из частиц пыли). При дальнейшем объединении и сгущении агломератов происходил рост первичных планетезималей с массой порядка массы астероидов и размерами до нескольких километров.
Одна из нерешенных проблем – поиск физического механизма объединения исходных пылевых частиц субмикронного и микронного размеров газопылевого диска в твёрдотельные планетезимали.
Вероятность слипания пылевых частиц при парных столкновениях понижается, когда образовавшиеся объекты становятся больше 1 см, а при увеличении размеров до 10 см она стремится к нулю. Возможно, частицам помогает электростатическое притяжение накопленных пылинками зарядов – соответствующие эксперименты подтвердили это предположение.
Кроме того наличие долгоживущих вихревых колец в области экваториальной плоскости, могли стимулировать формирование крупных газопылевых кластеров в допланетном диске, что способствовало объединению частиц пыли за счёт более тесного их сближения и роста частоты соударений, так и за счёт более низких скоростей столкновения (∼ 10 см/с). Пылевые частицы представляют собой группы атомов или молекул в виде квазимолекулы. К такой группе могут присоединятся другие атомы и молекулы с образованием химических связей или без них.
Скопления огромного количества твёрдых частиц микронных размеров, участвуя в согласованных движениях, обеспечивали благоприятные условия для их механического, электрического и физико-химического слипания (ближайшие соседи образуют химическую связь в зонах контакта).

Молекулярная модель космических пылинок

На первой стадии конденсации, растущие субмиллиметровые пылевые частицы благодаря взаимным низкоскоростным столкновениям имели вид разветвлённых фрактальных нитей с ажурно-ворсистой структурой и чрезвычайно низкой плотностью.
На второй стадии нити перепутывались с образованием пылевых фрактальных агрегатов с пустыми областями, не заполненные частицами и имевшие систему взаимодействующих частиц-мономеров (мономер – низкомолекулярное, то есть обладающее малой массой вещество, образующее полимер в реакции полимеризации; а также повторяющиеся звенья (структурные единицы) в составе полимеров).
В дальнейшем в процессе слияния агрегатов формировались клубки крупных фрактальных кластеров уже сантиметровых размеров, являвшихся основным структурообразующим элементом рыхлых протопланетезималей.

Фрактальный агрегат

Поскольку среда фрактального агрегата, большей частью не заполнена веществом, то агрегаты должны рассматриваться как особый тип сплошной среды, для моделирования которой необходимо учитывать пространство с нецелой размерностью.
Возможны два механизма роста кластеров с фрактальной структурой: прилипание к кластеру мономеров и  кластер-кластерная агрегация.
Выделение энергии во время соударений кластеров должно приводить к перестройке внутренней структуры фрактальных агрегатов, которые сжимаются и становятся относительно компактными. Но факт подобного сжатия всё ещё должен быть подтвержден как теоретическими так и экспериментальными исследованиями.

Протопланетные диски вокруг звезд возрастом моложе 10 млн лет. Фото телескопа VLT Европейской южной обсерватории (ESO)

 

© 2021 - 2022
Александр Бабкин babkin.ag65@gmail.com