ดาวเคราะห์น้อยและการพอกพูนแกนกลาง

การเติบโตแบบลำดับชั้นขององค์ประกอบการก่อตัวของดาวเคราะห์ ตั้งแต่เม็ดฝุ่นไปจนถึงดาวเคราะห์น้อยขนาดกิโลเมตร ไปจนถึงดาวเคราะห์แรกเริ่มและแกนกลางของดาวเคราะห์ยักษ์

Definition

การพอกพูนของดาวเคราะห์น้อยและแกนกลางคือกระบวนการที่ฝุ่นในจานดาวเคราะห์ก่อนเกิดเติบโตแบบลำดับชั้นไปเป็นดาวเคราะห์น้อย จากนั้นเป็นดาวเคราะห์แรกเริ่มและแกนกลางของดาวเคราะห์ยักษ์ผ่านการชนและการพอกพูนด้วยแรงโน้มถ่วง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการเติบโตของสสารแข็งในขนาดที่แตกต่างกันหลายอันดับ: การเกาะติดและการรวมตัวของฝุ่น การก้าวกระโดดที่ยังคงเป็นที่ถกเถียงไปสู่ดาวเคราะห์น้อยที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วง และการพอกพูนที่เน้นแรงโน้มถ่วงซึ่งขับเคลื่อนการเติบโตแบบหนีไม่พ้นและแบบคณาธิปไตยของดาวเคราะห์แรกเริ่ม รวมถึงความไม่เสถียรของการไหล (streaming instability) และการพอกพูนของก้อนกรวด (pebble accretion) ในฐานะกลไกในการเอาชนะอุปสรรคการเติบโต และการรวมตัวของแกนกลางที่มีมวลประมาณสิบเท่าของโลกที่จำเป็นต่อการกระตุ้นการก่อตัวของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์

Core questions

• เม็ดฝุ่นเอาชนะอุปสรรคการกระเด้ง การแตกตัว และการเคลื่อนที่ตามแนวรัศมีได้อย่างไรเพื่อไปถึงขนาดดาวเคราะห์น้อย?
• อะไรเป็นตัวกระตุ้นการเปลี่ยนผ่านจากการเติบโตจากการชนไปสู่การพอกพูนแบบหนีไม่พ้นที่ครอบงำด้วยแรงโน้มถ่วง?
• แกนกลางของดาวเคราะห์ยักษ์สามารถไปถึงมวลวิกฤตสำหรับการจับก๊าซได้เร็วแค่ไหนก่อนที่จานจะสลายตัว?
• การเติบโตดำเนินไปโดยการพอกพูนดาวเคราะห์น้อยเทียบกับการพอกพูนก้อนกรวดขนาดเล็กเมื่อใด?

Key theories

การเติบโตแบบหนีไม่พ้นและแบบคณาธิปไตย

เมื่อวัตถุมีขนาดใหญ่พอสำหรับการเน้นแรงโน้มถ่วง ดาวเคราะห์น้อยที่ใหญ่ที่สุดจะเติบโตเร็วที่สุดในระยะหนีไม่พ้น จากนั้นจะเข้าสู่การเติบโตแบบคณาธิปไตย ซึ่งดาวเคราะห์แรกเริ่มที่โดดเด่นไม่กี่ดวงจะพอกพูนฝูงที่อยู่รอบๆ ในอัตราที่เทียบเท่ากัน

การจับก๊าซของแกนกลางวิกฤต

แกนกลางที่เป็นของแข็งที่มีมวลประมาณสิบเท่าของโลกจะไม่สามารถรักษาสภาพก๊าซที่คงที่ได้อีกต่อไป และจะเกิดการพอกพูนก๊าซแบบหนีไม่พ้น ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในทฤษฎีการพอกพูนแกนกลางของการก่อตัวดาวเคราะห์ยักษ์

ความไม่เสถียรของการไหล (Streaming instability)

การเชื่อมต่อทางอากาศพลศาสตร์ระหว่างของแข็งและก๊าซสามารถรวมก้อนกรวดเข้าเป็นเส้นใยหนาแน่นที่ยุบตัวโดยตรงเป็นดาวเคราะห์น้อย ซึ่งเป็นเส้นทางในการเอาชนะอุปสรรคการเติบโตขนาดเมตร

Mechanisms

เม็ดเล็กๆ เติบโตโดยการชนกันจนกระทั่งการเคลื่อนที่ตามแนวรัศมีและการแตกตัวหยุดการรวมตัวเพิ่มเติม กลไกการรวมตัว เช่น ความไม่เสถียรของการไหล (streaming instability) จะรวมดาวเคราะห์น้อยเข้าด้วยกัน ซึ่งจะเติบโตโดยการพอกพูนด้วยแรงโน้มถ่วงร่วมกัน การเน้นแรงโน้มถ่วงทำให้วัตถุที่ใหญ่ที่สุดมีอิทธิพล และการพอกพูนของก้อนกรวดสามารถสร้างแกนกลางขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็วโดยการจับของแข็งที่ชะลอตัวลงด้วยอากาศพลศาสตร์

Clinical relevance

ประสิทธิภาพและระยะเวลาของการเติบโตของของแข็งเป็นตัวกำหนดว่าบริเวณหนึ่งของจานจะผลิตเพียงวัตถุขนาดเล็ก ดาวเคราะห์หิน หรือแกนกลางของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ซึ่งจะกำหนดโครงสร้างของระบบทั้งหมด

History

ทฤษฎีดาวเคราะห์น้อยของ Safronov ในทศวรรษ 1970 ได้วางกรอบการเติบโตแบบลำดับชั้น การคำนวณในปี 1996 โดย Pollack และคณะ ได้ระบุสถานการณ์การจับก๊าซของแกนกลางวิกฤตสำหรับดาวเคราะห์ยักษ์ ตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมา ความไม่เสถียรของการไหล (streaming instability) และการพอกพูนของก้อนกรวด (pebble accretion) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ไขอุปสรรคที่ยาวนานในการเติบโตของดาวเคราะห์น้อยและแกนกลางขนาดใหญ่ให้เร็วพอ

Debates

ดาวเคราะห์น้อยถูกรวมตัวกันครั้งแรกได้อย่างไร?

ยังคงมีการศึกษาอย่างจริงจังว่าอุปสรรคขนาดเมตรถูกเชื่อมโยงส่วนใหญ่โดยความไม่เสถียรของการไหล (streaming instability) โดยกลไกการรวมตัวอื่นๆ หรือโดยการเติบโตจากการชนโดยตรง

Key figures

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

Seminal works

• safronov1972
• pollack1996
• johansen2014

Frequently asked questions

อุปสรรคขนาดเมตรคืออะไร?

เป็นความยากลำบากที่ของแข็งขนาดประมาณหนึ่งเมตรเผชิญ: พวกมันชนกันเร็วเกินไปที่จะเกาะติดกัน แต่ก็เคลื่อนที่เข้าด้านในสู่ดาวฤกษ์เร็วเกินไป ดังนั้นการเติบโตเกินขนาดนี้จึงต้องใช้กลไกการรวมตัวพิเศษ

ทำไมดาวเคราะห์ยักษ์จึงต้องการแกนกลางที่มีมวลสิบเท่าของโลก?

ที่มวลประมาณนั้น แรงโน้มถ่วงของแกนกลางไม่สามารถรักษาสภาพก๊าซที่เสถียรได้อีกต่อไป ดังนั้นมันจึงเริ่มพอกพูนก๊าซในจานอย่างรวดเร็วและเติบโตเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์