В обычных сценариях формирования планет Нептун и Уран сформировались ближе к Солнцу. Но новое исследование показывает, что ледяные планеты-гиганты могли образоваться прямо там, где они сейчас.
Реконструкция событий, которые привели к нынешней конфигурации планет в Солнечной системе, является сложной задачей. Упорядоченные многолетние движения возникли из беспокойных условий внутри новорожденного протопланетного диска, отмеченного сильными столкновениями и радиальными миграциями формирующихся протопланет. Планета за планетой ученые пытались собрать кусочки головоломки.
Два ледяных гиганта, вероятно, самые загадочные планеты в Солнечной системе. Их расстояния (в 20 и 30 раз больше расстояния Земли от Солнца соответственно) и уникальный режим массы (между газовыми гигантами и планетами земной группы) бросают вызов существующим моделям. Ученые не уверены, как и где образовались две планеты, но до недавнего времени предполагалось, что Уран и Нептун не могли образоваться там, где они находятся сегодня.
Теперь новое исследование противоречит этим аргументам, утверждая, что планеты действительно могли образоваться в их нынешних местоположениях. Интригующий результат, который опубликован в Astrophysical Journal, обеспечивает альтернативу сценарию миграции.
Текущая картина формирования планет выглядит так: планеты собираются вместе из протопланетного диска, состоящего из газовых и пылевых зерен. Зерна сталкиваются и превращаются в гальку, достигая сантиметровых размеров. При определенных условиях галька еще больше сгущается с характерными размерами в сто километров и, в конечном счете, в ядра планет.
Если ядра достигнут достаточно большой массы, они начнут собирать газ с диска. Следовательно, планеты-гиганты должны были образоваться в течение нескольких миллионов лет, прежде чем газообразный диск рассеялся. Однако рост Урана и Нептуна был медленнее вдали от Солнца. При их нынешних расстояниях Уран и Нептун не успели бы вырасти, согласно этому сценарию.
Но этот сценарий пренебрегает ролью гальки в создании планеты. Камешки дрейфовали бы внутрь от окраин солнечной системы к Солнцу, и по пути они питали бы планетарные эмбрионы. При постоянном поступлении гальки ядра Урана и Нептуна могли вырасти до необходимой массы задолго до того, как газ диска рассеялся.
“Проблема масштаба времени формирования, которая существовала в течение очень долгого времени, с моей точки зрения, больше не существует”, — говорит Хеллед.
Команда Хеллед провела 24 версии своего моделирования, следуя аккреции гальки, а также водорода и гелия на одно массивное ядро планеты. Несколько версий могли воспроизвести общую массу гиганта, а также массу его газовой оболочки.
Однако ученые также обнаружили, что планетам в большинстве сценариев моделирования не хватало тяжелых элементов, до 3 масс Земли. Гигантские удары могли бы правдоподобно доставить эту недостающую массу, предполагает команда, поскольку уже известно, что удары сыграли важную роль в формировании многих (если не всех) планет в Солнечной системе.
Новое исследование прослеживает рост двух планет по отдельности. Тем не менее, Хеллед говорит, что они должны улучшить этот упрощенный подход и посмотреть на одновременное образование двух и, в конечном счете, всех четырех планет-гигантов.
Планетолог Андре Изидоро (Университет Райса), который не участвовал в исследовании, предупреждает, что миграции трудно избежать. «По мере роста планет, особенно когда они становятся больше, чем одна масса Земли или Марса, они начинают двигаться», — говорит Изидоро.
Действительно, моделирование показало, что Уран и Нептун могли образоваться в результате серии столкновений между мигрирующими протопланетами. Итак, какой сценарий описывает то, что произошло на самом деле?
Прямые химические следы миграции трудно найти, но сама конфигурация планет дает некоторые подсказки. Например, популяция планетезималей за орбитой Нептуна, известная как Пояс Койпера, скопляется на определенных расстояниях от Солнца. Ученые подозревают, что большая часть этой структуры появилась в результате миграции Нептуна.
Многие открытые вопросы остаются об Уране и Нептуне, потому что им не хватает тщательного изучения, которое мы сделали с другими планетами. Например, мы точно не знаем массы их газовых оболочек, которые являются одними из многих ингредиентов при моделировании их образования. Однако миссия к ледяным гигантам, которая ответила бы на подобные вопросы, пока остается только на бумаге.
