«Теория плоской Земли» была частично верной для очень молодых планет

Симуляция нестабильного протопланетного диска с формирующимися протопланетами, цвет показыввает плотность материи (красный — выше, голубой — ниже, белый — наивысшая) / © DOI:10.48550/arxiv.2402.01432

Конспирологи могут радоваться: согласно новому детальному моделированию эволюции планет, в ранние периоды формирования они имеют форму, далекую от сферической. Больше всего протопланеты напоминают драже вроде «Ментоса» или M&M’s. Есть еще одно любопытное открытие, вытекающее из этой симуляции: значительную часть материи формирующиеся планеты получают не путем аккреции в плоскости вращения, а со стороны полюсов.

Астрофизики из Университета Центрального Ланкашира (UCLan, Великобритания) провели моделирование процесса формирования планет в протопланетных дисках. Такие исследования выполняют не впервые, но это примечательно детализацией и вниманием к двум важным аспектам планетогенеза: форме протопланет и основным направлениям движения материи, падающей на них.

Научная работа принята к публикации в рецензируемом журнале Astronomy & Astrophysics Letters. Ее текст доступен на портале arXiv.

Существуют две основные теории, описывающие механизмы формирования крупных тел в протопланетных дисках. Согласно первой и наиболее популярной, планеты образуются из протопланет (а те, в свою очередь, из планетезималей) в результате постепенного притягивания менее крупных кусков и потоков материи друг к другу. Проще говоря, камни, пыль и газ в диске, сталкиваясь между собой, иногда слипаются в более крупные куски. Рано или поздно этот процесс приводит к формированию достаточно больших тел, гравитационное влияние которых экспоненциально ускоряет сбор материи.

Вторая теория связывает образование планет с гравитационной неустойчивостью протопланетного диска. Столь массивная подвижная структура не может быть однородной — в ней возникают турбулентности, приводящие к замедлению материи, ее сбору в компактные области. Это может происходить как вокруг планетезималей, так и в регионах пересечения рукавов протопланетного диска. Именно такой вариант рассматривали исследователи из UCLan в своей симуляции.

Отметим, что обе теории не взаимоисключающие: они дополняют друг друга на несколько разных масштабах. Предполагается, что большая часть малых тел вокруг звезд формируется путем прямой аккреции материи, а планеты-гиганты образуются в результате гравитационных неустойчивостей. Место планет земной группы в этой картине мира — почти наверняка первый путь.

Две проекции смоделированной протопланеты на ранней стадии формирования, слева — вид сверху (или снизу), справа — вид сбоку. До сих пор во всех симуляциях форма протопланет принималась за сферу. В первую очередь, для снижения вычислительной сложности модели, но также и в результате устоявшихся стереотипов исследователей / © DOI:10.48550/arxiv.2402.01432

Чтобы смоделировать протопланетный диск в рамках модели формирования планет в результате его гравитационной неусточивости, потребовалось полмиллиона часов процессорного времени суперкомпьютерного центра DiRAC. Всего исследователи произвели девять раундов симуляции — один тестовый (для проверки модели) и восемь экспериментальных, каждый раз с несколько иными параметрами. Массы звезды (0,8 солнечной) и протопланетного диска (0,6 солнечной) всегда оставались одинаковыми.

Результатом моделирования в общей сложности стали 107 протопланет различного размера. Но все — газовые гиганты (это ограничение симуляции, меньший масштаб получить не удалось из-за вычислительной сложности модели).

В первые десятки тысяч лет своего развития каждая из протопланет принимала форму сильно сплющенного эллипсоида вращения. Благодаря высокому разрешению модели исследователям удалось получить динамическую картину движения материи вокруг формирующихся планет. Оказалось, что материя из протопланетного диска завихряется вокруг них и по большей части падает не в плоскости вращения (на экватор), а со стороны полюсов.

Новая симуляция позволит астрофизикам точнее анализировать данные реальных наблюдений за протопланетными дисками. Она будет невероятно полезной для всех исследователей, которые работают с такими инструментами, как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), «Атакамская большая антенная решетка миллиметрового диапазона» (ALMA) и Очень большой телескоп (VLT).