จานดาวเคราะห์ก่อนเกิดและการพอกพูนมวล

จานก๊าซและฝุ่นที่โคจรรอบดาวฤกษ์อายุน้อย ซึ่งเป็นแหล่งวัตถุดิบสำหรับดาวเคราะห์และนำพามวลเข้าสู่ดาวฤกษ์ส่วนกลาง

Definition

จานดาวเคราะห์ก่อนเกิดคือจานก๊าซและฝุ่นที่หมุนรอบดาวฤกษ์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ ซึ่งเป็นบริเวณที่ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นและเป็นช่องทางให้มวลพอกพูนเข้าสู่ดาวฤกษ์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการก่อตัว โครงสร้าง การแบ่งชั้นทางความร้อนและเคมี และการสลายตัวของจานดาวเคราะห์ก่อนเกิด รวมถึงฟิสิกส์ของการพอกพูนมวลสารจากจานเข้าสู่ดาวฤกษ์ และการขนส่งโมเมนตัมเชิงมุมออกไปภายนอก ซึ่งรวมถึงกรอบแนวคิดความหนืดแบบอัลฟา ความปั่นป่วนแบบแม่เหล็กหมุนรอบตัวเองและแบบอื่นๆ บทบาทของแนวหิมะและกับดักฝุ่น และการวินิจฉัยจากการสังเกตการณ์ด้วยภาพอินฟราเรดและคลื่นมิลลิเมตร เช่น วงแหวน ช่องว่าง และแขนก้นหอย

Core questions

• โมเมนตัมเชิงมุมถูกขนส่งอย่างไรเพื่อให้ก๊าซสามารถพอกพูนเข้าสู่ดาวฤกษ์ได้?
• อะไรเป็นตัวกำหนดโครงสร้างอุณหภูมิและความหนาแน่นของจาน และแนวหิมะอยู่ตรงไหน?
• จานสลายตัวอย่างไรและเมื่อใด ซึ่งเป็นตัวกำหนดเวลาสำหรับการก่อตัวของดาวเคราะห์ยักษ์?
• วงแหวนและช่องว่างที่เห็นในภาพจานเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่ฝังอยู่และพลวัตของฝุ่น?

Key theories

แบบจำลองจานอัลฟา

การพอกพูนมวลของจานถูกกำหนดโดยความหนืดปั่นป่วนที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความดันก๊าซและพารามิเตอร์ไร้มิติอัลฟา ทำให้สามารถคาดการณ์โครงสร้างและวิวัฒนาการของจานได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องพิจารณาความปั่นป่วนพื้นฐาน

การขนส่งโมเมนตัมเชิงมุมแบบหนืด

การขนส่งโมเมนตัมเชิงมุมออกไปภายนอก ซึ่งอาจเกิดจากความไม่เสถียรแบบแม่เหล็กหมุนรอบตัวเองหรือลมจากจาน ทำให้ก๊าซส่วนใหญ่ในจานเคลื่อนที่แบบก้นหอยเข้าด้านในและพอกพูนมวล ในขณะที่ส่วนนอกเล็กๆ จะนำโมเมนตัมเชิงมุมออกไป

Mechanisms

สสารในจานจะสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมผ่านความเค้นจากความปั่นป่วนหรือลมแม่เหล็ก และเคลื่อนที่แบบก้นหอยเข้าสู่ดาวฤกษ์ ฝุ่นจะตกตะกอนลงสู่ระนาบกลางและเคลื่อนที่ในแนวรัศมี โดยรวมตัวกันที่จุดสูงสุดของความดัน ซึ่งสามารถเติบโตเป็นดาวเคราะห์น้อยได้ การแผ่รังสีจากดาวฤกษ์และความร้อนจากความหนืดจะสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิในแนวรัศมี ซึ่งกำหนดแนวการควบแน่นของน้ำและสารระเหยอื่นๆ

Clinical relevance

โครงสร้างของจานกำหนดปริมาณและตำแหน่งของของแข็งและสารระเหยที่มีอยู่สำหรับดาวเคราะห์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อองค์ประกอบและวงโคจรของดาวเคราะห์ที่ก่อตัวขึ้นในที่สุด

History

ทฤษฎีการพอกพูนมวลของจานถูกวางรากฐานเชิงปริมาณโดยแบบจำลองจานอัลฟาในปี 1973 โดย Shakura และ Sunyaev ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับวัตถุขนาดกะทัดรัดที่พอกพูนมวล แต่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับจานดาวเคราะห์ก่อนเกิด การถ่ายภาพด้วยคลื่นมิลลิเมตรความละเอียดสูงในช่วงทศวรรษ 2010 เผยให้เห็นว่าจานมักมีโครงสร้างเป็นวงแหวนและช่องว่าง ซึ่งเป็นการปรับเปลี่ยนการศึกษาการก่อตัวของดาวเคราะห์ในแหล่งกำเนิดจากการสังเกตการณ์

Debates

อะไรเป็นตัวขับเคลื่อนการพอกพูนมวลของจาน?

ยังไม่เป็นที่ยุติว่าการพอกพูนมวลถูกครอบงำโดยความปั่นป่วนแบบแม่เหล็กหมุนรอบตัวเอง ลมจากจานที่มีสนามแม่เหล็ก หรือกลไกอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในจานด้านนอกที่เย็นและมีการแตกตัวเป็นไอออนน้อย

Key figures

• Nikolai Shakura
• Rashid Sunyaev
• Philip Armitage
• Sean Andrews

Seminal works

• shakurasunyaev1973
• andrews2020

Frequently asked questions

จานดาวเคราะห์ก่อนเกิดมีอายุอยู่ได้นานแค่ไหน?

การสังเกตการณ์กระจุกดาวอายุน้อยบ่งชี้ว่าระยะที่มีก๊าซมากของจานส่วนใหญ่จะสลายไปภายในไม่กี่ล้านปี ซึ่งจำกัดความเร็วที่ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์จะต้องก่อตัวขึ้น

อะไรเป็นสาเหตุของวงแหวนที่เห็นในภาพจาน?

วงแหวนและช่องว่างอาจเกิดจากการก่อตัวของดาวเคราะห์ หรือเกิดจากการดักจับฝุ่นที่จุดสูงสุดของความดันและที่แนวการควบแน่น การตีความทั้งสองกำลังอยู่ระหว่างการศึกษาอย่างจริงจัง