Наросты гальки

Иллюстрация пылевого диска на орбите молодой звезды.

Аккреция гальки — это накопление частиц диаметром от сантиметров до метров в планетезимали в протопланетном диске, которое усиливается аэродинамическим сопротивлением газа, присутствующего в диске. Это сопротивление уменьшает относительную скорость камешков, когда они проходят мимо более крупных тел, не позволяя некоторым из них покинуть гравитацию тела. Эти камешки затем срастаются с телом после спирали или оседания на его поверхности. Этот процесс увеличивает поперечное сечение, на котором крупные тела могут сращивать материал, ускоряя их рост. Быстрый рост планетезималей за счет аккреции гальки позволяет сформировать ядра гигантских планет во внешней части Солнечной системы до того, как газовый диск рассеется. Уменьшение размера гальки, поскольку она теряет водяной лед после пересечения линии льда, и снижение плотности газа по мере удаления от Солнца замедляют темпы нарастания гальки во внутренней части Солнечной системы, что приводит к уменьшению размеров планет земной группы и небольшой массы Марса. и пояс астероидов малой массы.

Описание

Камешки размером от сантиметров до метра аккрецируются в протопланетном диске с повышенной скоростью . Протопланетный диск состоит из смеси газа и твердых тел, включая пыль, гальку, планетезимали и протопланеты . Газ в протопланетном диске поддерживается давлением и в результате движется по орбите со скоростью меньшей, чем у крупных объектов. Газ по-разному влияет на движение твердых тел в зависимости от их размера: пыль движется вместе с газом, а крупнейшие планетезимали вращаются по орбите, практически не подвергаясь влиянию газа. Галька представляет собой промежуточный случай: аэродинамическое сопротивление заставляет их располагаться к центральной плоскости диска и вращаться по орбите с субкеплеровской скоростью, что приводит к радиальному дрейфу к центральной звезде . Галька часто сталкивается с планетезималями из-за их более низких скоростей и дрейфа внутрь. Если бы на их движение не влиял газ, только небольшая часть, определяемая гравитационной фокусировкой и поперечным сечением планетезималей, была бы аккрецирована планетезималями.

Остальные будут следовать гиперболическим траекториям, ускоряясь к планетезимали при приближении и замедляясь по мере удаления. Однако сопротивление, которое испытывают камешки, растет по мере увеличения их скорости, замедляясь настолько, что они становятся гравитационно связанными с планетезималью. Эти камешки продолжают терять энергию, вращаясь вокруг планетезимали, заставляя их двигаться по спирали к планетезимали и срастаться с ней.

Иллюстрация ледяной гальки, доставляющей воду в скалистую область формирования планет в протопланетных дисках, на основе результатов космического телескопа Джеймса Уэбба.

Маленькие планетезимали скапливают камешки, которые проносятся мимо них с относительной скоростью газа. планетезимали, Эти камешки, время остановки которых аналогично времени Бонди срастаются внутри радиуса Бонди. В этом контексте радиус Бонди определяется как расстояние, на котором объект, приближающийся к планетезимали с относительной скоростью газа, отклоняется на один радиан; время остановки — это экспоненциальная шкала времени замедления объекта из-за сопротивления газа, а время Бонди — это время, необходимое объекту для пересечения радиуса Бонди. Поскольку радиус Бонди и время Бонди увеличиваются с размером планетезимали, а время остановки увеличивается с размером камешка, оптимальный размер камешка увеличивается с размером планетезимали.

Меньшие объекты, у которых отношение времени остановки к времени Бонди меньше 0,1, вытягиваются из потока мимо планетезимали и аккрецируются с меньшим радиусом, который уменьшается пропорционально квадратному корню из этого отношения. Более крупные, слабосвязанные камешки также срастаются менее эффективно из-за эффектов трех тел, при этом радиус увеличивается из-за быстрого уменьшения между соотношениями 10 и 100. Радиус Бонди пропорционален массе планетезимали, поэтому относительная скорость роста пропорциональна квадрату массы. что приводит к безудержному росту. Аэродинамическое отклонение газа вокруг планетезимали снижает эффективность аккреции гальки, в результате чего максимальный временной масштаб роста составляет 100 км.

Более крупные планетезимали, находящиеся над переходной массой, примерно равной массе Цереры во внутренней солнечной системе и массе Плутона во внешней солнечной системе, сросшиеся гальки с числами Стокса, близкими к единице от радиуса Хилла. «Число Стокса» в этом контексте является произведением остановки времени и кеплеровской частоты . Как и в случае с маленькими планетезималями, радиус срастания гальки уменьшается для меньших и больших размеров гальки. Оптимальный размер гальки для крупных планетезималей измеряется в сантиметрах из-за сочетания радиуса аккреции и скорости радиального дрейфа гальки. По мере роста объектов их наращивание меняется с 3-D, с нарастанием на часть толщины галечного диска, на 2D с нарастанием на всю толщину галечного диска. Относительная скорость роста в двумерной аккреции пропорциональна массе. $^{2/3}$ что приводит к олигархическому росту и образованию тел аналогичного размера. Аккреция гальки может привести к удвоению массы ядра массы Земли всего за 5500 лет. сокращение сроков роста ядер планет-гигантов на 2–3 порядка относительно аккреции планетезималей. Гравитационное воздействие этих массивных тел может создать частичный разрыв в газовом диске, изменяя градиент давления. Затем скорость газа за пределами зазора становится суперкеплеровской, останавливая дрейф гальки внутрь и прекращая аккрецию гальки.

Внешняя Солнечная система

Если образование гальки происходит медленно, аккреция гальки приводит к образованию нескольких планет-гигантов во внешней части Солнечной системы . Образование гигантов газовых . давняя проблема планетологии — Аккреция . ядер планет-гигантов в результате столкновений и слияний планетезималей происходит медленно, и ее может быть трудно завершить до того, как газовый диск рассеется Тем не менее, формирование посредством столкновений планетезималей может произойти в течение типичного срока существования протопланетного диска . Самые крупные планетезимали могут расти гораздо быстрее за счет нарастания гальки. но если образование или доставка гальки происходит быстро, земной массы . вместо нескольких ядер гигантских планет образуются многочисленные планеты По мере того, как самые крупные объекты приближаются к массе Земли, радиус срастания гальки ограничивается радиусом холма . Это замедляет их рост относительно соседей и позволяет многим объектам накапливать одинаковые массы гальки.

Однако если образование или доставка гальки происходит медленно, время роста становится больше, чем время, необходимое для гравитационного перемешивания. Затем самые большие планетезимали возбуждают наклоны и эксцентриситет меньших планетезималей. Их наклонные орбиты удерживают маленькие планетезимали за пределами узкого диска из гальки на протяжении большей части их орбит, ограничивая их рост. Затем период безудержного роста продлевается, и самые крупные объекты способны аккрецировать значительную часть гальки и вырасти в ядра гигантских планет. По мере того, как ядра становятся больше, некоторые из них достигают массы, достаточной для создания частичных промежутков в газовом диске, изменяя градиент его давления и блокируя дрейф гальки внутрь. Затем аккреция гальки прекращается, а газовая оболочка, окружающая ядро, охлаждается и разрушается, что приводит к быстрой аккреции газа и образованию газового гиганта. Ядра, которые не становятся достаточно массивными, чтобы заполнить пробелы в галечном диске, способны накапливать лишь небольшие газовые оболочки и вместо этого превращаться в ледяных гигантов . Быстрый рост за счет аккреции гальки позволяет ядрам вырасти достаточно большими, чтобы образовать массивные газовые оболочки, образующие газовые гиганты, избегая при этом миграции очень близко к звезде. В симуляциях гиганты холодного газа, такие как Юпитер и Сатурн, могут образоваться в результате нарастания гальки, если их первоначальные зародыши начали расти за пределами 20 а.е. Это отдаленное образование предлагает потенциальное объяснение обогащения Юпитера благородными газами. Однако специальные модели формирования показывают, что трудно совместить рост за счет нарастания гальки с окончательной массой и составом ледяных гигантов Солнечной системы Урана и Нептуна .

Внутренняя Солнечная система

Планеты земной группы могут быть намного меньше планет-гигантов из-за сублимации водяного льда, когда галька пересекала линию льда . Радиальный дрейф гальки переносит ее через линию льда, где водяной лед сублимируется, выделяя силикатные зерна. Зерна силиката менее липкие, чем ледяные, что приводит к подпрыгиванию или фрагментации во время столкновений и образованию более мелких камешков. Эти более мелкие камешки рассеиваются в более толстый диск за счет турбулентности в газовом диске. Массовый поток твердых тел, дрейфующих через земной регион, также сокращается вдвое из-за потери водяного льда. В сочетании эти два фактора значительно снижают скорость увеличения массы планетезималей во внутренней Солнечной системе по сравнению с внешней Солнечной системой. В результате планетарные зародыши лунной массы во внутренней Солнечной системе могут вырасти только до массы, близкой к массе Марса, тогда как во внешней Солнечной системе они могут вырасти до массы, более чем в 10 раз превышающей массу Земли, образуя ядра планет-гигантов. Начав вместо этого с планетезималей, образовавшихся в результате нестабильности потоков, мы получим аналогичные результаты во внутренней части Солнечной системы. В поясе астероидов крупнейшие планетезимали превращаются в зародыши массой Марса. Эти зародыши приводят в движение более мелкие планетезимали, увеличивая их наклон, заставляя их покинуть галечный диск. На этом этапе рост этих меньших планетезималей останавливается, замораживая их распределение по размерам вблизи нынешнего пояса астероидов. Изменение эффективности аккреции в зависимости от размера гальки во время этого процесса приводит к сортировке хондр по размеру, наблюдаемой в примитивных метеоритах.

В наземной зоне наросты гальки играют меньшую роль. Здесь рост происходит за счет смеси гальки и планетезималей, пока не сформируется олигархическая конфигурация изолированных зародышей лунной массы. Продолжающийся рост за счет увеличения дрейфующих внутрь хондр увеличивает массу этих эмбрионов до тех пор, пока их орбиты не дестабилизируются, что приводит к гигантским столкновениям между эмбрионами и образованию эмбрионов размером с Марс. Прекращение внутреннего дрейфа ледяной гальки в результате образования Юпитера до того, как линия льда переместилась в земную область, ограничило бы водную долю планет, образовавшихся из этих зародышей.

Небольшая масса Марса и пояс астероидов малой массы могут быть результатом того, что аккреция гальки становится менее эффективной по мере уменьшения плотности газа в протопланетном диске. Считается, что протопланетный диск, из которого образовалась Солнечная система, имел поверхностную плотность , которая уменьшалась по мере удаления от Солнца и расширялась, а толщина увеличивалась по мере удаления от Солнца. В результате плотность газа и аэродинамическое сопротивление, ощущаемое галькой, внедренной в диск, значительно уменьшались бы с расстоянием. Если бы галька была большой, эффективность нарастания гальки снижалась бы по мере удаления от Солнца, поскольку аэродинамическое сопротивление становится слишком слабым, чтобы галька могла быть захвачена во время встречи с самыми крупными объектами. Объект, который быстро растет на орбитальном расстоянии Земли, будет расти медленно на орбите Марса и очень незначительно в поясе астероидов. Формирование ядра Юпитера также могло бы уменьшить массу пояса астероидов, создав разрыв в гальочном диске и остановив дрейф гальки внутрь из-за линии льда. Тогда объекты в поясе астероидов были бы лишены гальки раньше времени, в то время как объекты в земном регионе продолжали бы накапливать гальку, прилетевшую из области астероидов.