Nové vysvětlení vzniku obřích plynných planet

Obří plynné planety ve Sluneční soustavě – tj. Jupiter, Saturn, Uran a Neptun – stejně tak i hmotné exoplanety – se podle současných teorií zformovaly na základě akrece plynu na kamenná jádra, každé s hmotností přibližně 10krát větší než Země. Avšak rychlá migrace větších částic v disku v důsledku interakcí mezi diskem a planetesimálami neumožňuje vytvoření tak hmotných jader prostřednictvím klasické akrece na planetesimály. Pro předpokládaný růst planetárních zárodků prostřednictvím akrece menších částic vyžaduje velmi hmotné protoplanetární disky, jelikož většina drobných částic díky migraci spadne na centrální hvězdu. Astrofyzikové z Nagoya University a Tohoku University informovali v novém článku o výsledcích počítačových simulací kolizního vývoje plynných obrů z prachových částic v rámci celého protoplanetárního disku.

„O vzniku planet toho víme docela málo,“ říká Hiroshi Kobayashi, vědecký pracovník z Department of Physics at Nagoya University. „Prachové částečky uvnitř rozsáhlých protoplanetárních disků obklopujících nově zrozené hvězdy se vzájemně sráží a spojují se, přičemž vytváří drobná tělesa, které později narostou do objektů větších rozměrů zvaných planetesimály. Tato tělesa se následně mohou dále spojovat nebo pokračují v akreci a vytvářejí planety.“

Navzdory všemu, co víme, vznik plynných obrů, jako je Jupiter a Saturn, dlouho zaměstnával astronomy. Toto je problém, protože plynní obři hrají zřejmě velmi důležitou roli při vzniku a udržení potenciálně obyvatelných planet v planetárních soustavách.

Aby se zformovaly obří plynné planety, musí se nejprve vyvinout pevné (obvykle kamenné) jádro, které má dostatečnou hmotnost – přibližně 10 hmotností Země – a které bude schopno gravitačně přitáhnout ohromné množství plynů, podle čehož nesou tyto planety i své pojmenování – plynní obři. Vědci se dlouho potýkali s pochopením toho, jak tato jádra rostou.

Tento problém má dvě roviny: 1) Jádro budoucí obří planety dosáhne potřebné hmotnosti díky spojování se blízkých planetesimál, což by trvalo déle než jen několik miliónů roků, kdy je v protoplanetárních discích dostupný prach. 2) Vytvářející se planetární jádra interagují s protoplanetárním diskem, což vede k tomu, že migrují směrem k centrální hvězdě, kde je velmi málo plynu, který je však potřeba na další fázi vzniku plynného obra - nabalování plynného obalu na kamenné jádro.

K vyřešení tohoto problému Hiroshi Kobayashi a Hidekazu Tanaka z Tohoku University’s Astronomical Institute použili nejmodernější počítačové technologie ke zdokonalení simulací, které mohou modelovat, jak prach nacházející se v protoplanetárním disku může kolidovat a růst do podoby pevného jádra nezbytného pro akumulaci plynu.

„Nový počítačový program je schopen zohlednit vliv nebeských těles všech velikostí a simulovat jejich vývoj prostřednictvím srážek,“ říká Hiroshi Kobayashi.

Počítačové simulace ukázaly, že větší částice z ledu a prachu z vnějších oblastí protoplanetárního disku směřují dovnitř a rostou do velikosti ledových planetesimál ve vzdálenosti zhruba 10 AU od centrální hvězdy. Jedna astronomická jednotka reprezentuje průměrnou vzdálenost mezi Zemí a Sluncem. Planety Jupiter a Saturn se nacházejí přibližně ve vzdálenostech 5,2 a 9,5 AU od Slunce.

Tyto ledové a prachové částice, až do velikosti planetesimál, se kumulují v protoplanetárního disku v oblasti v rozmezí 6 až 9 AU od centrální hvězdy. Tento fakt naznačuje možnost, že v těchto oblastech protoplanetárního disku může dojít k velmi rychlému nárůstu velkých kamenných zárodků plynných obrů, dostatečně hmotných pro následnou akumulaci plynů a vývoje až do podoby obřích plynných planet v periodě zhruba 200 000 let. „Předpokládáme, že naše výzkumy povedou k lepšímu pochopení původu obyvatelných planet nejen ve Sluneční soustavě, ale také v planetárních soustavách kolem jiných hvězd,“ dodává Hiroshi Kobayashi.

Článek byl publikován v časopise Astrophysical Journal.

Zdroj: http://www.sci-news.com/astronomy/gas-giant-formation-computer-simulations-10468.html

autor: František Martinek