Pierwszy model dokładnie opisujący powstawanie Układu Słonecznego

Astronomowie opracowali pierwszy model uwzględniający wszystkie niezbędne procesy fizyczne, które mogły odegrać rolę w powstaniu Układu Słonecznego i w formowaniu się planet.

Wcześniejsze teorie dotyczące powstania Układu Słonecznego zakładały, że planety powstają w wyniku zderzeń i akumulacji ciał niebieskich podobnych do asteroid, tak zwanych planetozymali, a następnie akumulacji gazu na przestrzeni milionów lat. Modele te nie wyjaśniają jednak ani istnienia gazowych olbrzymów znajdujących się daleko od swoich gwiazd, ani powstania planet takich jak Uran i Neptun.

Astrofizycy z Ludwig Maximilian University of Munich (LMU), opracowali pierwszy w historii model uwzględniający wszystkie niezbędne procesy fizyczne, które mogły odegrać rolę w formowaniu się planet w Układzie Słonecznym. Korzystając z tej analizy, wykazali, że pierścieniowe perturbacje w dyskach protoplanetarnych, tak zwane podstruktury, mogły wywołać szybkie formowanie się wielu gazowych olbrzymów.

Wyniki badania są zgodne z najnowszymi obserwacjami i wskazują, że formowanie się planet-olbrzymów mogło przebiegać wydajniej i szybciej niż wcześniej sądzono. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Za pomocą swojego modelu naukowcy wykazali, w jaki sposób cząstki pyłu o wielkości milimetra gromadzą się aerodynamicznie w dysku gazowym i jak te początkowe perturbacje w zatrzymują cząsteczki i zapobiegają jego zniknięciu w kierunku gwiazdy. Ta akumulacja sprawia zdaniem badaczy, że wzrost planet jest bardzo wydajny, ponieważ nagle na niewielkim obszarze pojawia się dużo „materiału budowlanego”, a co za tym idzie – występują odpowiednie warunki do formowania się planet.

„Kiedy planeta staje się wystarczająco duża, aby wpłynąć na dysk gazowy, prowadzi to do ponownego wzbogacenia pyłu dalej w dysku. W tym procesie planeta napędza pył – niczym owczarek goniący swoje stado – do obszaru poza swoją orbitą” – wyjaśnia Til Birnstiel z LMU.

„Proces może się powtarzać – od wewnątrz na zewnątrz – przez co może powstać kolejna gigantyczna planeta. To pierwszy raz, kiedy symulacja prześledziła proces, w którym drobny pył przekształca się w gigantyczne planety” – mówi Tommy Chi Ho Lau z LMU.

W naszym Układzie Słonecznym gazowe olbrzymy znajdują się w odległości od około 5 jednostek astronomicznych (au) (Jowisz) do 30 au (Neptun) od Słońca. Dla porównania, Ziemia znajduje się około 150 milionów kilometrów od Słońca, co odpowiada 1 au.

Badanie pokazuje, że w innych układach planetarnych perturbacja może wprawić proces w ruch na znacznie większych odległościach i nadal zachodzić bardzo szybko. Takie układy były często obserwowane w ostatnich latach przez obserwatorium radiowe ALMA, które wykrywało gazowe olbrzymy w młodych dyskach w odległości przekraczającej 200 au. Jednak model ten wyjaśnia również, dlaczego nasz Układ Słoneczny najwyraźniej przestał tworzyć dodatkowe planety po Neptunie – materiał budowlany został po prostu zużyty.

Wyniki badania są zgodne z obecnymi obserwacjami młodych układów planetarnych, które mają wyraźne podstruktury w swoich dyskach. Odgrywają one decydującą rolę w formowaniu się planet. Badanie wskazuje, że formowanie się większych globów przebiega z większą wydajnością i szybkością niż wcześniej zakładano.

Te nowe spostrzeżenia mogą udoskonalić rozumienie pochodzenia i rozwoju planet olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym oraz wyjaśnić różnorodność obserwowanych układów planetarnych.

Emil Gołoś