Астрономія
Астрономія

Міжзоряні об'єкти могли посприяти утворенню планет

Потрапивши до зіркових систем на ранніх етапах їхньої еволюції, міжзоряні об'єкти, які гравітаційно не прив'язані до жодних тіл, можуть допомогти в утворенні планет. На думку американських астрофізиків, після формування протопланетного диска, у нього може потрапити достатня кількість міжзоряних об'єктів, щоб допомагати планетезималям долати акреційний бар'єр. Так вони швидше накопичують матеріал, що дослідники радять враховувати у моделях формування планет і у розповсюдженні матеріалів космосом. Стаття прийнята до публікації у The Astrophysical Journal, а її препринт доступний на arXiv.

Художнє зображення Оумуамуа / Ron Miller

Художнє зображення Оумуамуа / Ron Miller

Звідки походять міжзоряні об'єкти?

Теорія формування зірок і планет дозволяє невеликим тілам розмірами від декількох десятків до декількох кілометрів втрачати гравітаційний зв'язок із батьківським тілом та вилітати з систем. Вони дрейфують міжзоряним середовищем та іноді проходять через Сонячну систему, де ми їх можемо побачити навіть за допомогою земних телескопів. Свій внесок у популяцію міжзоряних об'єктів роблять планетарні системи, за межі яких вилітають планетезималі через динамічні процеси у час їхнього формування — вплив міграції планет-гігантів, зоряних скупчень та акреції матеріалу.

Достовірних спостережень міжзоряних тіл, що прилетіли до Сонячної системи з інших планетних систем, лише два — астероїд Оумуамуа і комета 2I/Борисова. В обох випадках встановити позасонячне походження вдалося завдяки прямим спостереженням та визначенням параметрів їхніх траєкторій. Ці два астрономічних тіла подорожували через Сонячну систему протягом століть і повинні бути частиною мільйонної популяції міжзоряних об'єктів — на думку астрономів, щороку їх мінімум сім має потрапляти у межі Сонячної системи.

У цій роботі пара астрофізиків, Амая Моро Мартін (Amaya Moro-Martın) і Колін Норман (Colin Norman) вирішили оцінити загальну кількість міжзоряних об'єктів у діапазоні розмірів від 50 сантиметрів до 50 кілометрів, які могли б потрапити в диск кожної зіркової системи, що формується, а також тих, які могли б потрапити в протопланетний диск вже після того, як він сформувався.

Навіщо вони планетоутворенню?

Зірки утворюються внаслідок колапсу щільних областей молекулярних хмар. Природним побічним продуктом цього процесу є утворення протопланетних дисків, де і відбувається формування планет. Частинки пилу в цих дисках становлять приблизно 0,1 мікрометра, проте завдяки малим відносним швидкостям, енергіям зіткнень та «липким» мікрофізичним процесам (електромагнітні та сили Ван-дер-Ваальса) вони здатні до ефективних зіткнень, з яких з'являються тіла розміром вже з сантиметр.

Ці тіла називають планетезималями, які зрештою збільшують розмір до кілометрів, нарощуючи матеріал. І нам добре відомий процес, як планетезималі здатні перетворитися на протопланети – за допомогою зіткнень та гравітаційних взаємодій вони збільшують масу і температуру в центрі, яке у результаті плавиться у ядро.

Планетезималь у зображенні художника. NASA, ESA, and G. Bacon

Планетезималь у зображенні художника. NASA, ESA, and G. Bacon

Однак проміжний етап, на якому галька розміром з сантиметр перетворюється на планетезималь розміром з кілометр, створює так звану «проблему метрового бар'єра» (meter-sized barrier problem). Річ у тім, що у міру того, як сантиметрові частинки ростуть і збільшують свої відносні швидкості та енергію зіткнень, вони лише втрачають ефективність у накопиченні матеріалу – він просто відскакує чи розбивається. І з огляду на те, що вони все ще продовжують відчувати опір газу у хмарі, час їхнього перебування у ній скорочується, а отже, і можливість зростати до розмірів, на які не впливає опір газу. І тому вчені шукають механізми, які здатні компенсувати вплив цих ефектів і все ж дозволити планетам утворюватися з газопилової хмари. Одним з таких є вплив міжзоряних об'єктів.

Скільки вони можуть утворити планет?

Виявлені Оумуамуа та комета 2I/Борисова, як перші зафіксовані міжзоряні об'єкти, вказали на існування додаткового фактора, який може допомогти подолати проблему бар'єра метрового розміру – поява таких тіл поблизу систем на ранніх етапах їхньої еволюції. Вони можуть бути досить великими, щоб швидко перетворитися на більші планетезималі завдяки прямій акреції пилових частинок розміром менше сантиметра у протопланетному диску. Причому їм вдасться зробити це раніше, ніж тиск газу у хмарі виштовхне їх за межі системи або зруйнується сам диск.

За підрахунками дослідників, кількості захоплених зірками міжзоряних об'єктів достатньо, щоб заселити протопланетні диски. Так на основі даних про Оумуамуа, протягом приблизно десяти мільйонів років у протопланетні диски може потрапити близько мільярда тіл розміром до п'яти метрів, ста тисяч тіл розмірами до 50 метрів та до 20 об'єктів шириною, більшою за кілометр.

Ескіз системи TRAPPIST-1 з сімома планетами. Крім планет, на ньому зображено гіпотетичний планетезимальний пояс. NASA/JPL-Caltech

Ескіз системи TRAPPIST-1 з сімома планетами. Крім планет, на ньому зображено гіпотетичний планетезимальний пояс. NASA/JPL-Caltech

Особливість цих захоплених міжзоряних об'єктів полягає у тому, що вони можуть мати досить великі розміри, щоб подолати бар'єр. Це може призвести до збільшення маси планетезималей перед початком зіткнень з іншими, що, на думку дослідників, варто враховувати у моделях формування планет.

У разі розсіяного скупчення, наприклад, якщо ми припустимо, що тільки один відсоток зірок у розсіяному скупченні здатні створити планети, викинуті ними планетезималі, як міжзоряні об'єкти, можуть сприяти формуванню планет у сусідніх системах. А в Сонячній системі, наприклад, ми маємо враховувати формування великої популяції дрібних тіл астероїдів, комет та об'єктів пояса Койпера. Фактичне походження планет буде складною комбінацією цих процесів.

Також раніше ми розповідали, як утворення міжзоряних об’єктів пов’язали з наближенням до систем масивних зірок, а за їхньою кількістю астрономи зможуть вирахувати кількість втраченого протопланетними дисками матеріалу.


Фото в анонсі: Художнє зображення Оумуамуа / Ron Miller