Астрономи пояснили, як невеликі грудки космічного пилу перетворюються на планетезималі на акреційному диску зірки. На думку вчених, у цьому процесі важливу роль відіграють так звані пилові пастки та аеродинамічний опір. Роботу вчених опубліковано в журналі.
Планетні системи, подібні до Сонячної системи, починають своє існування у вигляді газопилового диска навколо зірки. Частинки пилу в протопланетному диску хаотично рухаються разом з потоками газу, при цьому стикаючись і злипаючись один з одним. Поступово ці невеликі грудки космічного пилу, розміром всього в кілька сантиметрів, збираються в набагато більші тіла, звані планетезималями. Саме вони служать зародками для майбутніх планет.
Вченими добре вивчено, завдяки яким процесам частинки пилу перетворюються на маленькі грудки, а також яким чином кілометрові планетезималі утворюють ядра планет. У той же час, астрофізикам досі було дуже мало відомо про те, як космічний пил формує тіла, за розмірами порівнянні з астероїдами.
Для того, щоб грудки пилу могли стати планетезималями, їм необхідно подолати дві перешкоди. По-перше, через баланс тиску, гравітації та відцентрової сили швидкість обертання газу навколо зірки менша, ніж швидкість вільних тіл на такій же відстані. Як наслідок, частинки розміром більше декількох міліметрів випереджають газ, а зустрічний потік їх загальмовує їх і змушує по спіралі опускатися до зірки. Чим більшими стають пилинки, тим швидше вони «падають» туди, де вони випаровуються і зруйнуються. По-друге, підрослі частинки при зіткненні один з одним на високій швидкості можуть знову розпастися на величезне число більш дрібних, що поверне процес накопичення маси назад.
Єдина область в протопланетному диску, де обидві ці проблеми можуть бути вирішені, це пилові пастки. Так називають області високого тиску, де дрейфовий рух сповільнюється, що дозволяє пилинкам злипатися і розростатися, не руйнуючись при цьому при зіткненнях. Раніше астрономи вважали, що такі пилові пастки можуть існувати тільки в дуже специфічних умовах, проте автори нової роботи показали, що вони повинні бути поширені набагато ширше.
Дослідники провели комп'ютерну симуляцію того, як пилинки взаємодіють з газом у протопланетному диску. У більшості випадків рухом частинок керували потоки газу, проте в деяких, найбільш «пилових» моделях, за словами вчених, спостерігалася зворотна картина, і скупчення частинок змінювало структуру газу в диску. Такий ефект називається зворотний аеродинамічний опір, і, як правило, дослідники його ігнорують при вивченні зростання і фрагментації грудок пилу. Однак автори роботи заявляють, що в «густих» протопланетних дисках він відіграє важливу роль.
Модель показала, що завдяки зворотному аеродинамічному опору рух пилів до материнської зірки сповільнюється, що дає їм час підрости. Після того як вони укрупнюються, газ вже не керує їхнім рухом. З часом він починає виштовхуватися в більш далекі регіони диска, формуючи області високого тиску: пилові пастки. У них поступово накопичуються частинки із зовнішніх областей газопилового диска, утворюючи більш великі грудки, які з часом сформують планетезималі.
"Ми були дуже схвильовані, виявивши, що при правильному наборі інгредієнтів пилові пастки можуть формуватися спонтанно в самих різних умовах. Це просте і ясне вирішення давньої проблеми формування планет ", - коментує новину один з авторів роботи.
Дослідники ще багато років тому припустили, що в протопланетних дисках повинні існувати пилові пастки, проте підтвердити цю гіпотезу вдалося лише в 2013 році. Тоді астрофізики вперше за допомогою телескопа ALMA побачили пилову пастку в системі Oph-IRS 48. Крім того, ALMA нещодавно допоміг вченим отримати детальні знімки відразу декількох протопланетних дисків навколо молодих зірок.