Tiểu hành tinh và Bồi tụ lõi

Sự phát triển theo thứ bậc của các khối cấu tạo hành tinh, từ các hạt bụi đến các tiểu hành tinh có kích thước kilômét, đến các tiền hành tinh và lõi của các hành tinh khí khổng lồ.

Definition

Bồi tụ tiểu hành tinh và lõi là quá trình mà bụi trong đĩa tiền hành tinh phát triển theo thứ bậc thành các tiểu hành tinh và sau đó thành các tiền hành tinh và lõi hành tinh khí khổng lồ thông qua các va chạm và bồi tụ hấp dẫn.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách vật chất rắn phát triển qua nhiều bậc độ lớn về kích thước: sự kết dính và đông tụ của bụi, bước nhảy vẫn còn đang tranh cãi sang các tiểu hành tinh liên kết hấp dẫn, và sự bồi tụ tập trung hấp dẫn thúc đẩy sự phát triển vượt trội và theo chế độ đầu sỏ của các tiền hành tinh. Nó bao gồm sự bất ổn định dòng chảy và bồi tụ sỏi đá như các cơ chế để vượt qua các rào cản tăng trưởng, và sự hình thành các lõi khoảng mười khối lượng Trái Đất cần thiết để kích hoạt sự hình thành hành tinh khí khổng lồ.

Core questions

• Làm thế nào các hạt bụi vượt qua các rào cản nảy, phân mảnh và trôi dạt xuyên tâm để đạt kích thước tiểu hành tinh?
• Điều gì kích hoạt sự chuyển đổi từ tăng trưởng do va chạm sang bồi tụ vượt trội do hấp dẫn chi phối?
• Lõi hành tinh khí khổng lồ có thể đạt khối lượng tới hạn để thu giữ khí nhanh đến mức nào trước khi đĩa phân tán?
• Khi nào sự tăng trưởng diễn ra bằng cách bồi tụ các tiểu hành tinh so với bồi tụ các sỏi đá nhỏ?

Key theories

Tăng trưởng vượt trội và theo chế độ đầu sỏ

Một khi các thiên thể đủ lớn để tập trung hấp dẫn, các tiểu hành tinh lớn nhất phát triển nhanh nhất trong một pha vượt trội, sau đó ổn định thành tăng trưởng theo chế độ đầu sỏ, nơi một vài tiền hành tinh chiếm ưu thế bồi tụ đám vật chất xung quanh với tốc độ tương đương.

Thu giữ khí lõi tới hạn

Một lõi rắn đạt khoảng mười khối lượng Trái Đất không còn có thể duy trì một lớp vỏ khí tĩnh và trải qua quá trình bồi tụ khí vượt trội, bước quan trọng trong lý thuyết bồi tụ lõi của sự hình thành hành tinh khí khổng lồ.

Bất ổn định dòng chảy

Sự ghép nối khí động học giữa vật chất rắn và khí có thể tập trung các sỏi đá thành các sợi dày đặc sụp đổ trực tiếp thành các tiểu hành tinh, mang đến một con đường vượt qua rào cản tăng trưởng kích thước mét.

Mechanisms

Các hạt nhỏ phát triển bằng các va chạm kết dính cho đến khi sự trôi dạt xuyên tâm và phân mảnh ngăn cản sự đông tụ tiếp theo; các cơ chế tập trung như sự bất ổn định dòng chảy sau đó tập hợp các tiểu hành tinh, chúng phát triển bằng sự bồi tụ hấp dẫn lẫn nhau. Sự tập trung hấp dẫn làm cho các thiên thể lớn nhất chiếm ưu thế, và sự bồi tụ sỏi đá có thể nhanh chóng xây dựng các lõi lớn bằng cách thu giữ các vật thể rắn bị chậm lại do khí động học.

Clinical relevance

Hiệu quả và thời gian của sự phát triển vật chất rắn quyết định liệu một vùng của đĩa chỉ tạo ra các thiên thể nhỏ, các hành tinh đất đá, hay các lõi hành tinh khí khổng lồ, và do đó định hình kiến trúc của toàn bộ hệ thống.

History

Lý thuyết tiểu hành tinh của Safronov vào những năm 1970 đã thiết lập khuôn khổ phát triển theo thứ bậc. Các tính toán năm 1996 của Pollack và các cộng sự đã định lượng kịch bản thu giữ khí lõi tới hạn cho các hành tinh khí khổng lồ. Kể từ những năm 2000, sự bất ổn định dòng chảy và bồi tụ sỏi đá đã được phát triển để giải quyết các rào cản lâu dài trong việc phát triển các tiểu hành tinh và lõi lớn đủ nhanh.

Debates

Các tiểu hành tinh được hình thành lần đầu tiên như thế nào?

Việc rào cản kích thước mét được vượt qua chủ yếu bởi sự bất ổn định dòng chảy, bởi các cơ chế tập trung khác, hay bởi sự tăng trưởng do va chạm trực tiếp vẫn đang được tích cực nghiên cứu.

Key figures

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

Seminal works

• safronov1972
• pollack1996
• johansen2014

Frequently asked questions

Rào cản kích thước mét là gì?

Đó là khó khăn mà các vật thể rắn có kích thước khoảng một mét phải đối mặt: chúng va chạm quá nhanh để kết dính nhưng lại trôi dạt vào trong về phía ngôi sao quá nhanh, vì vậy sự tăng trưởng vượt quá kích thước này đòi hỏi các cơ chế tập trung đặc biệt.

Tại sao một hành tinh khí khổng lồ cần một lõi mười khối lượng Trái Đất?

Ở khối lượng xấp xỉ đó, trọng lực của lõi không còn có thể giữ một lớp vỏ khí ổn định, vì vậy nó bắt đầu bồi tụ khí đĩa nhanh chóng và phát triển thành một hành tinh khí khổng lồ.