_ Simulările numerice ale formării planetezimale reproduc proprietățile cheie de asteroizi, comete

Cu simulări care intră în detalii mai fine decât oricând, Brooke Polak de la Universitatea din Heidelberg și Hubert Klahr de la Institutul Max Planck pentru Astronomie (MPIA) au modelat o fază cheie în formare. a planetelor din sistemul nostru solar: modul în care pietricelele de mărimea unui centimetru se agregează în așa-numitele planetezimale cu dimensiuni de la zeci până la sute de kilometri. Simularea reproduce distribuția inițială a dimensiunilor planetezimale, care poate fi verificată în comparație cu observațiile asteroizilor actuali. De asemenea, prezice prevalența planetezimale binare apropiate în sistemul nostru solar.

Într-un nou studiu publicat pe arXiv și acceptat pentru publicare în The Astrophysical Journal, astrofizicienii Brooke Polak de la Universitatea de Heidelberg și Hubert Klahr de la Institutul Max Planck pentru Astronomie au folosit simulări pentru a deriva proprietăți-cheie ale așa-numitelor planetezimale — corpurile de mărime intermediară din care s-au format planetele în sistemul nostru solar în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani.

Folosind o metodă inovatoare de simulare a formării planetezimale, cei doi cercetători au reușit să prezică distribuția inițială a dimensiunii planetezimalelor în sistemul nostru solar: câte sunt probabil să se fi format în diferitele „paranteze de mărime” între aproximativ 10 km și 200 km.< /p>

Mai multe grupuri de obiecte din sistemul solar de astăzi, în special asteroizii din centura principală și obiectele din Centura Kuiper, sunt descendenți direcți ai planetezimalelor care nu au mai format planete. Folosind reconstrucțiile existente ale distribuției inițiale a dimensiunilor asteroizilor din centura principală, Polak și Klahr au putut confirma că predicția lor se potrivește într-adevăr cu observațiile.

În plus, modelul lor face predicții de succes pentru diferențele dintre planetezimalele formate. mai aproape de soare față de cei formați mai departe, precum și prezicerea câte se formează ca planetezimale binare.

Formarea planetei în jurul unei stele se desfășoară în mai multe etape. În faza inițială, particulele de praf cosmic din discul protoplanetar învolburat în jurul unei noi stele se adună împreună, legate de forțe electrostatice (van der Waals), pentru a forma așa-numitele pietricele de câțiva centimetri. În următoarea fază, pietricelele se unesc pentru a forma planetezimale: roci spațiale între zeci și sute de km în diametru.

Pentru aceste obiecte mai mari, gravitația este atât de puternică încât ciocnirile între planetezimale individuale formează și mai mari, gravitațional. obiecte cosmice legate, solide: embrioni planetari. Acești embrioni pot continua să acumuleze planetezimale și pietricele până când devin planete terestre precum Pământul. Unii pot continua să acumuleze straturi groase de hidrogen gazos pentru a deveni așa-numiții giganți gazosi precum Jupiter sau giganți de gheață precum Uranus.

Nu toate planetezimale devin planete. O fază a istoriei sistemului solar a implicat nou-formarea lui Jupiter, astăzi cea mai mare planetă a sistemului solar, migrând spre interior, către o orbită mai apropiată în jurul Soarelui. Această migrație a perturbat formarea planetelor în vecinătatea sa directă, gravitația lui Jupiter împiedicând planetezimale din apropiere să evolueze în embrioni planetari. Uranus și Neptun au migrat, de asemenea, dar spre exterior pe orbite mai îndepărtate, deoarece au interacționat cu planetezimale dincolo de ele.

În acest proces, au împrăștiat unele dintre planetezimale mai îndepărtate și mai înghețate în sistemul solar interior și unele spre exterior. În general, departe de Soare, distanțele tipice dintre planetezimale erau prea mari pentru a se forma chiar și planetele relativ mici asemănătoare Pământului - singurii embrioni planetari care s-au format au fost obiecte și mai mici precum Pluto. Majoritatea planetezimalelor aflate la acea distanță nu au ajuns deloc în stadiul de embrion planetar.

În final, sistemul nostru solar a ajuns să aibă mai multe regiuni care conțin planetezimale rămase sau descendenții acestora: centura principală de asteroizi dintre Marte și Jupiter conține atât planetezimale pe care Jupiter le-a împiedicat să formeze embrioni, cât și cele împrăștiate în interior de către Uranus și Neptun.

Structura sub formă de disc a centurii Kuiper, între 30 și 50 de unități astronomice de la soare, conține planetezimale prea îndepărtate pentru a fi perturbate de migrațiile lui Uranus și Neptun, aproximativ 70.000 dintre ele. cu dimensiuni mai mari de 100 km. De aici provin majoritatea cometelor de perioadă medie care vizitează sistemul solar interior. Mai departe, în așa-numitul nor Oort, se află obiecte care au fost împrăștiate în exterior de migrația Uranus-Neptun.

Simularea progresiei de la pietricele de dimensiuni centimetrice la planetezimale este o provocare. Până în urmă cu aproximativ un deceniu, nu era clar cum s-ar putea întâmpla acea tranziție în primul rând – pe atunci, simulările nu permiteau pietricelelor să crească peste o dimensiune de aproximativ un metru. Această problemă specială a fost rezolvată de atunci, odată cu realizarea că mișcarea turbulentă a discului protoplanetar aduce o cantitate suficientă de pietricele împreună pentru a forma obiecte mai mari. Dar scările disparate implicate fac încă foarte dificile simulările formării planetelor.

Simulările continue modelează discul protoplanetar prin împărțirea spațiului într-o grilă de regiuni separate - analogul tridimensional al împărțirii unui plan într-un model de tablă de șah . Apoi se utilizează ecuațiile hidrodinamicii pentru a calcula modul în care materia curge de la fiecare celulă de grilă către celulele învecinate și cum se schimbă proprietățile materiei în timpul procesului. Dar pentru a obține rezultate semnificative, trebuie să simulăm o secțiune a discului protoplanetar de sute de mii de kilometri în diametru. Pur și simplu nu există suficientă putere de calcul pentru a face „modelul tablei de șah” suficient de mic pentru a simula structura la scară kilometrică a planetezimale individuale în același timp.

O alternativă sunt simulările care modelează grupuri de pietricele ca separate „ super particule”, apoi le îmbină în obiecte cu un singur punct, odată ce se apropie unul de celălalt la o limită de aproximativ 1000 km. Dar această metodă nu reușește să surprindă un alt aspect important al formării planetezimale: planetezimale binare apropiate, în care două planetezimale orbitează strâns unul pe celălalt sau chiar se unesc ca „binare de contact”.

Simulările întreprinse de Polak și Klahr merg în o direcție diferită, împrumutând concepte dintr-un model fizic aparent fără legătură: descrierea cinetică a unui gaz, în care miriade de molecule zboară cu viteză mare, ciocnirile lor cu părțile laterale ale containerului exercitând în mod cumulativ presiune asupra pereților containerului.

Când temperatura gazului este suficient de scăzută și presiunea suficient de mare, un gaz trece printr-o așa-numită tranziție de fază, devenind lichid. În anumite condiții, tranziția de fază poate duce o substanță direct din starea gazoasă la starea solidă.

Simularea lui Polak și Klahr a tratat grupuri mici de pietricele într-un nor care se prăbușește într-un disc protoplanetar în mod analog cu particulele de acest fel de gaz. În loc să modeleze în mod explicit coliziunile dintre diferitele grupuri de pietricele, ei au atribuit o presiune „gazului lor pietriș”. Pentru așa-numita ecuație de stare, care dă presiunea în funcție de densitate, au ales o așa-numită ecuație de stare adiabatică - genul de ecuație care, într-o situație cu simetrie sferică, are o structură de densitate similară cu cel al Pământului.

Cu această alegere, gazul de pietricele poate suferi și o schimbare de fază: la densitate scăzută, există o „fază gazoasă” în care pietricele separate zboară și se ciocnesc frecvent. Creșteți densitatea și puteți face tranziția la o „fază solidă”, în care pietricelele au format planetezimale solide. Criteriul cheie pentru momentul în care gazul pietricele devine solid este dacă atracția gravitațională a pietricelelor este sau nu mai mare decât presiunea susținută de ciocniri.

Lucrările anterioare în grupul lui Hubert Klahr au arătat că formarea planetezimale începe întotdeauna. cu un nor compact de pietricele din interiorul discului protoplanetar prăbușindu-se pe el însuși – și a dat, de asemenea, valori concrete pentru dimensiunile unor astfel de regiuni separate de colaps. În această nouă lucrare, Polak și Klahr se uită la mai multe versiuni ale unei astfel de regiuni care se prăbușește, fiecare cu o distanță diferită de Soare, începând cu o distanță cât mai aproape de orbita lui Mercur și terminând cu o regiune care se prăbușește la fel de departe ca Neptun. /p>

Deoarece ecuațiile lor simplificate sunt mult mai puțin complexe decât cele ale modelelor de coliziune cu superparticule, cercetătorii au reușit să-și folosească puterea de calcul disponibilă pentru a simula detalii mai fine decât oricând, până la scara pe care planetezimale binare. se pot forma ca binare de contact.

Simulările anterioare, lipsite de capacitatea de a urmări detalii atât de fine, ar presupune doar că două planetezimale apropiindu-se atât de cât este necesar pentru a forma un binar apropiat s-ar fi transformat într-o singură structură. obiect, și astfel ar rata acele binare apropiate cu totul.

Rezultatele lor pictează o imagine interesantă a formării planetezimale în ansamblu. Distanța față de soare este cheia: o regiune care se prăbușește foarte aproape de soare va produce doar un singur planetezimal. La distanțe mai mari, fiecare regiune care se prăbușește va forma tot mai multe planetezimale în același timp. În plus, cele mai mari planetezimale se formează cel mai aproape de Soare.

Cele mai mari planetezimale produse de un nor de pietricele care se prăbușește la distanța Pământului de Soare sunt cu aproximativ 30% mai masive și cu 10% mai mari decât cele produse de zece ori mai departe. afară. În general, producția de planetezimale se dovedește a fi foarte eficientă, mai mult de 90% din pietricelele disponibile ajungând în planetezimale rezultate, indiferent de locația în sistemul solar.

Predicția simularii pentru distribuția dimensiunilor planetezimalelor. este la fața locului. Desigur, chiar și pentru asteroizii din centura principală, viața a continuat în ultimii miliarde de ani, cu numeroase ciocniri distrugând planetezimale mai mari în fragmente mai mici. Dar analizele care urmăresc să reconstruiască distribuția inițială a dimensiunilor din ceea ce se vede astăzi au rezultate foarte asemănătoare cu noile simulări.

Și a existat o surpriză: „Înainte se credea că distribuția inițială a dimensiunii între asteroizii reflectă distribuția de masă a norilor de pietriș”, spune Brooke Polak, „deci am fost foarte surprinși că simulările noastre, folosind întotdeauna aceeași masă inițială pentru norii de pietriș, au creat aceeași distribuție de masă a asteroizilor în timpul colapsului gravitațional. găsite în observații. Acest lucru schimbă dramatic constrângerile asupra proceselor care creează norii de pietriș în nebuloasa solară.”

Cu alte cuvinte: simulările din primele etape ale sistemului nostru solar nu vor trebui să vă faceți griji pentru a obține norul de pietricele este atât de mărime — formarea planetezimală se va ocupa singură de distribuția corespunzătoare a dimensiunii.

Ochiul pentru detalii pe care simularea lui Polak și Klahr a dat, de asemenea, a dat rezultate fără precedent. Ultimi despre planetezimale binare, cu perechi de planetezimale care orbitează unul pe altul. Jumătate dintre binare sunt foarte aproape unele de altele, distanța lor reciprocă mai mică de patru ori diametrul planetezimalelor înșiși.

Predicțiile pentru prevalența și proprietățile binarelor, inclusiv binarele cu „luni” mici suplimentare care le orbitează, se potrivesc perfect cu proprietățile observate ale obiectelor din centura Kuiper în zonele exterioare ale sistemului solar, precum și cu cele a asteroizilor din centura principală.

Una dintre predicții este că binarele apropiate se formează în număr foarte devreme, pe măsură ce pietricelele se unesc cu planetezimale — spre deosebire de formarea prin coliziuni ulterioare și alte interacțiuni. Misiunea spațială a NASA Lucy, care a fost lansată în 2021, promite o oportunitate deosebit de interesantă de a testa această predicție.

„Nu toate planetezimale se termină în Centura de asteroizi sau Kuiper. Unii sunt prinși într-o coorbită cu Jupiter însuși, așa-zișii troieni”. spune Hubert Klahr. „Misiunea Lucy va vizita mai multe dintre ele în următorii ani. În martie 2033, se va legăna de asteroizii Patroclu și Menoetius. Fiecare are o dimensiune de 100 km, iar cei doi orbitează unul pe celălalt la o distanță de numai 680 km. predicția este că acești doi vor avea aceeași culoare și aspect exterior, deoarece ne așteptăm ca s-au format din unul și același nor de pietricele. Gemeni identici de la naștere."

Versiunea prezentă a simulărilor lui Polak și Klahr examinează doar formarea planetezimală până la aproximativ orbita actuală a lui Neptun. În continuare, cei doi cercetători intenționează să exploreze istoria timpurie a sistemului nostru solar la distanțe și mai mari. În timp ce simulările actuale produc deja obiecte precum binarul de contact Arrokoth, care a fost vizitat de sonda NASA New Horizons în 2019 după vizita sa la sistemul Pluto-Charon, ar fi interesant de văzut cum s-ar putea forma astfel de obiecte la distanța orbitală reală a lui Arrokoth. — De 45 de ori mai departe de Soare decât Pământ (spre deosebire de cele 30 de ori ale lui Neptun).

O altă limitare a prezentei simulări este că planetezimalele se pot forma doar ca sfere perfecte de diferite dimensiuni. O ecuație de stare mai sofisticată care încorporează capacitatea corpurilor solide de a-și păstra forma ar permite o descriere a obiectelor cu proprietățile materiale ale unui amestec de gheață poroasă și praf. Pe această bază, calculele ar putea fi extinse la planetezimale de forme variate, permițând și mai multe detalii între înțelegerea noastră a formării sistemului solar și observații.

(Fluierul)