Астрофизики выяснили, как формируются газовые гиганты

Исследование проливает свет на происхождение сложных планетарных систем, содержащих большое количество планет-гигантов. Работа ученых поддержана грантом РНФ. Статья об исследовании опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics.

На сегодня учеными выдвинуты две теории формирования газовых гигантов: последовательной аккреции и гравитационной неустойчивости. Схожи они только в том, что предполагают формирование протопланетного диска — скопления космической пыли и газа. Дальнейшие процессы, предшествующие формированию небесного тела, в этих теориях существенно различаются.

Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются в крупные объекты. Если такой объект наберет достаточно массы, он притягивает к себе много газа и превращается в газовый гигант наподобие Юпитера, а если нет — в каменистую планету или ледяной гигант, как Земля или Уран.

Основные недостатки этой теории заключаются в том, что на больших расстояниях от звезды скорость процесса существенно замедляется и появляется возможность рассеяния газа до формирования планеты. Теория гравитационной неустойчивости утверждает, что газовые гиганты формируются из-за внезапного гравитационного коллапса в наиболее плотных и холодных областях протопланетного диска. На сегодняшний день более привлекательной для ученых считается теория последовательной аккреции, которая тем не менее не объясняет все разнообразие наблюдаемых экзопланет.

Используя основные положения теории гравитационной неустойчивости и результаты астрофизических измерений, ученые НИИ физики ЮФУ провели компьютерное моделирование для системы HR 8799, содержащей четыре газовых гиганта на больших расстояниях от звезды, и выяснили механизм формирования этих планет. Система HR 8799, находящаяся на расстоянии 129 световых лет от Земли, стала привлекательной для астрономов в 2010 году, когда они впервые получили инфракрасный спектр одной из ее планет.

Астрофизики ЮФУ установили, что на начальном этапе происходит образование газопылевых сгустков на краю протопланетного диска. Размеры этих сгустков во много раз превосходят размеры образующихся из них впоследствии планет. Орбиты таких сгустков неустойчивы, и по мере накопления массы они начинают мигрировать к родительской звезде. Обычно такая миграция приводит к падению сгустка на звезду и мощной вспышке светимости, подобной той, что наблюдается у молодых звезд.

Однако ученые с помощью компьютерного моделирования показали, что такая миграция может остановиться, если вещество сгустка будет истекать из его внешних слоев, приводя к ускорению вращения сгустка вокруг звезды. Исследователи также выявили еще один процесс, важный для формирования газового гиганта, — нагрев ядра сгустка в результате миграции к звезде с последующим распадом молекул водорода на атомы. Такая реакция приводит к быстрому сжатию сгустка и формированию плотного ядра протопланеты, которая затем эволюционирует в планету-гигант.

"Мы описали механизмы эволюции газовых гигантов от газопылевого сгустка до протопланеты на примере системы звезды HR 8799. В дальнейшем мы планируем изучить последующую эволюцию протопланет, чтобы объяснить архитектуру планетарных систем, подобных той, что мы рассмотрели в этой работе", — говорит автор исследования, ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ, кандидат физико-математических наук Эдуард Воробьев.