Планетезимальная и ядерная аккреция

Иерархический рост строительных блоков планет, от пылевых зерен до планетезималей километрового масштаба, до протопланет и ядер гигантских планет.

Definition

Планетезимальная и ядерная аккреция — это процесс, при котором пыль в протопланетном диске иерархически растет в планетезимали, а затем в протопланеты и ядра гигантских планет посредством столкновений и гравитационной аккреции.

Scope

Эта тема охватывает рост твердого материала на протяжении многих порядков величины: слипание и коагуляция пыли, все еще обсуждаемый переход к гравитационно связанным планетезималям и гравитационно сфокусированная аккреция, которая приводит к безудержному и олигархическому росту протопланет. Она включает стриминговую неустойчивость и аккрецию гальки как механизмы преодоления барьеров роста, а также сбор ядер массой около десяти масс Земли, необходимых для запуска формирования газовых гигантов.

Core questions

• Как пылевые зерна преодолевают барьеры отскока, фрагментации и радиального дрейфа, чтобы достичь размера планетезималей?
• Что запускает переход от столкновительного роста к гравитационно доминирующей безудержной аккреции?
• Насколько быстро ядро гигантской планеты может достичь критической массы для захвата газа до рассеяния диска?
• Когда рост происходит за счет аккреции планетезималей по сравнению с аккрецией мелкой гальки?

Key theories

Безудержный и олигархический рост

Как только тела становятся достаточно большими для гравитационной фокусировки, самые крупные планетезимали растут быстрее всего в безудержной фазе, затем переходят в олигархический рост, где несколько доминирующих протопланет аккрецируют окружающий рой с сопоставимой скоростью.

Захват газа критическим ядром

Твердое ядро, достигающее примерно десяти масс Земли, больше не может поддерживать статическую газовую оболочку и подвергается безудержной аккреции газа, что является ключевым шагом в теории формирования гигантских планет путем аккреции ядра.

Стриминговая неустойчивость

Аэродинамическая связь между твердыми частицами и газом может концентрировать гальку в плотные нити, которые непосредственно коллапсируют в планетезимали, предлагая путь преодоления барьера роста метрового размера.

Mechanisms

Мелкие зерна растут за счет слипающихся столкновений до тех пор, пока радиальный дрейф и фрагментация не остановят дальнейшую коагуляцию; затем механизмы концентрации, такие как стриминговая неустойчивость, собирают планетезимали, которые растут за счет взаимной гравитационной аккреции. Гравитационная фокусировка приводит к доминированию крупнейших тел, а аккреция гальки может быстро формировать массивные ядра, захватывая аэродинамически замедленные твердые частицы.

Clinical relevance

Эффективность и время роста твердых тел определяют, будет ли в области диска образовываться только малые тела, землеподобные планеты или ядра газовых гигантов, и, таким образом, формируют архитектуру всей системы.

History

Планетезимальная теория Сафронова в 1970-х годах заложила основу иерархического роста. Расчеты Поллака и его коллег 1996 года количественно определили сценарий захвата газа критическим ядром для гигантских планет. С 2000-х годов были разработаны стриминговая неустойчивость и аккреция гальки для решения давних проблем, связанных с достаточно быстрым ростом планетезималей и массивных ядер.

Debates

Как изначально формируются планетезимали?

Активно исследуется вопрос о том, преодолевается ли метровый барьер в основном стриминговой неустойчивостью, другими механизмами концентрации или прямым столкновительным ростом.

Key figures

• Viktor Safronov
• James Pollack
• Jack Lissauer
• Anders Johansen

Seminal works

• safronov1972
• pollack1996
• johansen2014

Frequently asked questions

Что такое метровый барьер?

Это трудность, с которой сталкиваются твердые частицы размером около метра: они сталкиваются слишком быстро, чтобы слипнуться, но слишком быстро дрейфуют внутрь к звезде, поэтому рост за пределы этого размера требует специальных механизмов концентрации.

Почему гигантской планете необходимо ядро массой в десять масс Земли?

Приблизительно при такой массе гравитация ядра больше не может удерживать стабильную газовую оболочку, поэтому оно начинает быстро аккрецировать газ диска и превращается в газового гиганта.