Межзвездные объекты могли способствовать образованию планет

15:05 12 Ноябрь Киев, Украина

Попав в звездные системы на ранних этапах их эволюции, межзвездные объекты, которые гравитационно не привязаны ни к каким телам, могут помочь в образовании планет. По мнению американских астрофизиков, после формирования протопланетного диска, в него может попасть достаточное количество межзвездных объектов, чтобы помогать планетезималам преодолевать аккреционный барьер. Так они быстрее накапливают материал, который исследователи советуют учитывать в моделях формирования планет и распространении материалов космосом. Статья принята к публикации в Astrophysical Journal, а ее препринт доступен на arXiv.

Откуда происходят межзвездные объекты?

Теория формирования звезд и планет позволяет небольшим телам размерами от нескольких десятков до нескольких километров терять гравитационную связь с родительским телом и вылетать из систем. Они дрейфуют межзвездной средой и иногда проходят через солнечную систему, где мы их можем увидеть даже с помощью земных телескопов. Свою лепту в популяцию межзвездных объектов вносят планетарные системы, за пределы которых вылетают планетезимали через динамические процессы во время их формирования — влияние миграции планет-гигантов, звездных скоплений и аккреции материала.

Достоверных наблюдений межзвездных тел, прилетевших к Солнечной системе из других планетных систем, всего два — астероид Оумуамуа и комета 2I/Борисова. В обоих случаях установить внесолнечное происхождение удалось благодаря прямым наблюдениям и определению параметров их траекторий. Эти два астрономических тела путешествовали через Солнечную систему на протяжении веков и должны быть частью миллионной популяции межзвездных объектов — по мнению астрономов, ежегодно их минимум семь должны попадать в пределы Солнечной системы.

В этой работе пара астрофизиков, Амая Моро Мартин (Amaya Moro-Martin) и Колин Норман (Colin Norman) решили оценить общее количество межзвездных объектов в диапазоне размеров от 50 сантиметров до 50 километров, которые могли бы попасть в диск каждой звездной системы. формирующихся, а также тех, которые могли бы попасть в протопланетный диск уже после того, как он сформировался.

Зачем они планетообразованию?

Звезды образуются в результате коллапса плотных областей молекулярных облаков. Естественным побочным продуктом этого процесса является образование протопланетных дисков, где происходит формирование планет. Частицы пыли в этих дисках составляют примерно 0,1 микрометра, однако благодаря малым относительным скоростям, энергиям столкновений и «липким» микрофизическим процессам (электромагнитные и силы Ван-дер-Ваальса) они способны к эффективным столкновениям, из которых появляются тела размером уже с сантиметр.

Эти тела называют планетезималями, которые в конце концов увеличивают размер до километров, наращивая материал. И нам хорошо известен процесс, как планете зимали способны превратиться в протопланеты – с помощью столкновений и гравитационных взаимодействий они увеличивают массу и температуру в центре, которое в результате плавится в ядро.
 
Фото: Планетизималь в изображении художника


Однако промежуточный этап, на котором галька размером с сантиметр превращается в планету зималь размером с километр, создает так называемую «проблему метрового барьера» (meter-sized barrier problem). Дело в том, что по мере того, как сантиметровые частицы растут и увеличивают свои относительные скорости и энергию столкновений, они теряют эффективность в накоплении материала – он просто отскакивает или разбивается. И учитывая, что они все еще продолжают испытывать сопротивление газа в облаке, время их пребывания в нем сокращается, а значит, и возможность расти до размеров, на которые не влияет сопротивление газа. И потому ученые ищут механизмы, способные компенсировать влияние этих эффектов и все же позволить планетам образовываться из газопылевого облака. Одним из таких является влияние межзвездных объектов.

Сколько они могут образовать планеты?

Обнаруженные Оумуамуа и комета 2I/Борисова как первые зафиксированные межзвездные объекты указали на существование дополнительного фактора, который может помочь преодолеть проблему барьера метрового размера – появление таких тел вблизи систем на ранних этапах их эволюции. Они могут быть достаточно большими, чтобы быстро превратиться в большие планете зимали благодаря прямой аккреции пылевых частиц размером менее сантиметра в протопланетном диске. Причем им удастся сделать это раньше, чем давление газа в облаке вытолкнет их за пределы системы или разрушится диск.

По подсчетам исследователей, количества захваченных звездами межзвездных объектов достаточно, чтобы заселить протопланетные диски. Так на основе данных об Оумуамуа, в течение примерно десяти миллионов лет в протопланетные диски может попасть около миллиарда тел размером до пяти метров, ста тысяч тел размерами до 50 метров и до 20 объектов шириной больше километра.
 
Фото: Эскиз системы TRAPPIST-1 с семью планетами. Кроме планет, на нем изображен гипотетический планетезимальный пояс. NASA/JPL-Caltech
 


Особенность этих захваченных межзвездных объектов состоит в том, что они могут иметь достаточно большие размеры, чтобы преодолеть барьер. Это может привести к увеличению массы планетезималей перед началом столкновений с другими, что, по мнению исследователей, следует учитывать в моделях формирования планет.

В случае рассеянного скопления, например, если мы предположим, что только один процент звезд в рассеянном скоплении способны создать планеты, выброшенные ими планеты, как межзвездные объекты, могут способствовать формированию планет в соседних системах. А в Солнечной системе, например, мы должны учитывать формирование большой популяции мелких тел астероидов, комет и объектов пояса Койпера. Фактическое происхождение планет будет сложной комбинацией этих процессов.