У Солнца были кольца

В недавнем исследовании появились данные, что у Солнца около 4.5 миллиардов лет назад. Перепады давления в протопланетном диске Солнца объясняют многие особенности солнечной системы. До того, как в Солнечной системе появились планеты, у солнца были кольца — полосы пыли и газа, похожие на кольца Сатурна, — которые, вероятно, сыграли роль в формировании Земли.

В Солнечной системе должно было что-то произойти, что помешало Земле вырасти и превратиться в гораздо более крупную планету земного типа, называемую Суперземлей, - считает астрофизик Университета Райса Андре Изидоро, имея в виду массивные скалистые планеты, которые можно увидеть вокруг по меньшей мере 30% звёзд, подобных нашему Солнцу.

Их модель, которая описана в исследовании, опубликованном онлайн в Nature Astronomy, создала кольца, подобные тем, которые видны вокруг многих далеких молодых звёзд. Он также точно воспроизвел несколько особенностей солнечной системы, пропущенных многими предыдущими моделями, в том числе:

Новое исследование астрономов не было случайным открытием. Чтобы спрогнозировать развитие Солнечной системы они изучили множество новорожденных планетарных систем.

Их модель предполагает, что внутри газово-пылевого диска молодого солнца возникли три полосы высокого давления. Такие перепады давления наблюдались в кольцевых звездных дисках вокруг далёких звёзд, и исследование объясняет, как они и кольца могут влиять на архитектуру Солнечной системы.

Если суперземли  распространённое явление, почему у нас нет такой в Солнечной системе? Группа исследователей предполагает, что в зонах повышенного давления образовались разобщенные резервуары материала диска во внутренней и внешней солнечной системе и регулировалось, сколько материала было доступно для выращивания планет во внутренней солнечной системе.

В течение десятилетий учёные считали, что газ и пыль в протопланетных дисках постепенно становятся менее плотными, плавно снижаясь в зависимости от расстояния от звезды. Но компьютерное моделирование показывает, что планеты вряд ли будут формироваться в сценариях с гладким диском.

В гладком диске все твёрдые частицы — пылинки или валуны — должны очень быстро втягиваться внутрь и теряться в звезде. Нужно что-то, что будет препятствовать притяжению звезды и даст время на образование планет.

Когда частицы движутся быстрее, чем газ вокруг них, они чувствуют встречный ветер и очень быстро дрейфуют к звезде. При скачках давления давление газа увеличивается, молекулы газа движутся быстрее, а твёрдые частицы перестают чувствовать встречный ветер. Это то, что позволяет частицам пыли накапливаться при скачках давления.

Астрономы наблюдали скачки давления и кольца протопланетного диска с помощью большого миллиметрового / субмиллиметрового массива Atacama, или ALMA, огромного радиотелескопа с 66 тарелками, который был запущен в Чили в 2013 году.

Модель Изидоро и его коллег предполагала, что в ранней солнечной системе в трёх местах, где падающие на солнце частицы выделяли большое количество испаренного газа, образовались удары давления.

Это просто функция расстояния от звезды, потому что температура повышается по мере приближения к звезде. Точка, где температура достаточно высока, чтобы лед мог испариться, например, это линия сублимации, которую учёные называют линией снега .

На силикатном производстве основной ингредиент песка и стекла, диоксид кремния, превратился в пар. В результате образовалось ближайшее к солнцу кольцо, в котором позже сформировались Меркурий, Венера, Земля и Марс. Среднее кольцо появилось на линии снега, а самое дальнее кольцо - на линии окиси углерода.

Протопланетные диски остывают с возрастом, поэтому линии сублимации должны были мигрировать к солнцу. Исследование показало, что этот процесс может позволить пыли накапливаться в объектах размером с астероид, называемых планетезималями, которые затем могут собираться вместе, образуя планеты. Изидоро сказал, что предыдущие исследования предполагали, что планетезимали могут образоваться, если пыль будет достаточно концентрированной, но ни одна модель не предложила убедительного теоретического объяснения того, как пыль может концентрироваться.

Новая модель показывает, что места давления могут концентрировать пыль, а движущиеся удары давления могут действовать как планетезимальные фабрики. Модель позволяет показать формирование планет, начиная с частиц пыли и охватывая множество различных стадий, от небольших зёрен миллиметрового размера до планетезималей, а затем планет.

Многие предыдущие симуляции солнечной системы создавали версии Марса, в 10 раз более массивные, чем Земля. Модель правильно предсказывает, что масса Марса составляет около 10% массы Земли, потому что Марс родился в области диска с низкой массой.

Модель также даёт убедительное объяснение двум космохимическим загадкам Солнечной системы: заметной разнице между химическим составом объектов внутренней и внешней солнечной системы и присутствием каждого из этих объектов в поясе астероидов между Марсом и Юпитером.

Моделирование Изидоро показало, что среднее кольцо может объяснить химическую дихотомию, предотвращая попадание материала из внешней системы во внутреннюю систему. Моделирование также создало пояс астероидов в его правильном местоположении и показало, что он питался объектами как из внутренней, так и из внешней областей.

Наиболее распространенный тип метеоритов, которые мы получаем из пояса астероидов, изотопически похож на Марс. Андре объясняет, почему Марс и эти обычные метеориты должны иметь похожий состав. Он дал подробный ответ на этот вопрос.

Изидоро сказал, что задержка появления среднего кольца Солнца в некоторых симуляциях привела к образованию Суперземель, что указывает на важность времени повышения давления.

Образование Суперземли зависело от того, как быстро появится этот скачёк давления. Если он был уже после того, как материя смогла войти в зону формирования скальных планет. В нашей схеме этот скачёк произошёл раньше. 

Планетарная Солнечная система формировалась не из единого газо-пылевого облака. У Солнца были кольца, наподобие Сатурна. Эти кольца и объясняют столько различную структуру планет земного типа, и отделённые от них газовые гиганты. Эти планетарные группы формировались из разных колец.