لبناء كوكب غازي عملاق ، ما عليك سوى إضافة الحصى

نظام كوكبي صغير جدًا

تصور فنان لنظام كوكبي صغير السن. يفترض أحد نماذج توليد الكواكب أن الحصى التي تدور في مدارها هي مفتاح تكوين عمالقة الغاز بسرعة. (رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)



يقترح بحث جديد أن الكواكب الغازية العملاقة مثل كوكب المشتري وزحل تتشكل بسرعة عن طريق جمع كتل بناء بحجم الحصى ودفع الكواكب المحتملة الأصغر بعيدًا عن الطريق.



تولد النجوم من سحب غازية تدور ببطء وتنهار نحو الداخل. تدور النجوم الأولية بشكل أسرع وأسرع في قلب قرص مصنوع من الغاز والغبار. بمرور الوقت ، تتجمع حبيبات الغبار معًا لتشكل حصى ، وكواكب بحجم الكويكبات ، وفي النهاية كواكب كاملة ، مما يؤدي إلى إزالة الغبار والحطام. لكن تفاصيل عملية تكوين الكوكب هذه لا تزال قيد المناقشة.

تجيب محاكاة جديدة على أسئلة مهمة حول كيفية عمل نموذج تراكم الحصى سريع المفعول لتشكيل عملاق الغاز ، مما يسمح لعدد قليل فقط من الكواكب بالسيطرة وإبعاد الكواكب الصغيرة والكويكبات إلى الأطراف ، كما هو الحال في نظامنا الشمسي. [ فيديو: أفضل منظر على الإطلاق لولادة كوكب خارج المجموعة الشمسية ]



'هذا هو النموذج الأول الذي نعرفه عن أنك تبدأ بهيكل بسيط جدًا للسديم الشمسي الذي تتشكل منه الكواكب ، وينتهي بك الأمر بنظام الكوكب العملاق الذي نراه ،' كما قال المؤلف الرئيسي للدراسة هارولد ليفيسون ، عالم الفلك في معهد ساوث ويست للأبحاث (SwRI) في كولورادو ، أخبر موقع ProfoundSpace.org.

قوة الحصاة

اعتمدت النظريات السابقة لتكوين الكواكب على التراكم البطيء من الغبار إلى حطام بحجم الحصى إلى كواكب بحجم الجبال أو الكويكبات ، حتى نمت هذه النوى المزدهرة بدرجة كافية للاستيلاء على الهيدروجين وغاز الهيليوم في مكان قريب وتشكيل عمالقة غازية مثل تلك التي تدور حول الشمس. لكن أدلة الرصد تشير إلى أن الكواكب تشكلت بسرعة ، قبل أن يتبدد الغاز المحيط بالشمس المولودة حديثًا - وكانت فرص اصطدام الكواكب الصغيرة العملاقة ببعضها البعض والاندماج منخفضة جدًا لتكوين كواكب ضخمة بسرعة كافية.

في عام 2012 ، اقترح الباحثان ميشيل لامبرشتس وأندرس يوهانسن من جامعة لوند في السويد نموذجًا حيث تمسك الحصى الصغيرة ، التي تشكلت من حبيبات الغبار التي اندمجت معًا في الاصطدامات ، بمفتاحها. عمالقة الغاز بسرعة - تصل إلى 1000 مرة أسرع من الطراز السابق.



قال ليفيسون: 'لقد أظهروا أن الحصى المتبقية من عملية التكوين هذه ، والتي كان يُعتقد سابقًا أنها غير مهمة ، يمكن أن تكون في الواقع حلاً كبيرًا لمشكلة تكوين الكوكب'.

والآن ، صممت مجموعة Levison بشكل أكثر دقة كيفية الانتقال من هذه الآلية إلى أنواع الأنظمة التي نراها في الكون .

لفهم كيف تجعل الحصى العملية تسير بشكل أسرع ، انتقل إلى الأمام في الوقت المناسب من تكوين النجم.



النجم الشاب محاط بقرص من الغاز والغبار والحصى ، مع قطع أكبر من المادة التي تجمعت معًا بمرور الوقت. تنهار هذه القطع بفعل جاذبيتها إلى كواكب صغيرة وأجنة مستوية ، وهي أجسام كبيرة بما يكفي ليكون لها مداراتها الخاصة والمستقلة ، لكن الحصى الصغيرة لا تزال تتباطأ بفعل الغاز الموجود في مداراتها ويكون من السهل إزعاجها.

إذا اقترب جسمان كبيران من بعضهما البعض في مداريهما ، فقد يمرون بهما. ولكن إذا اقتربت الحصاة من جسم أكبر ، فسوف يتباطأ الغاز المحيط بها بدرجة كافية ليتم سحبها بواسطة جاذبية الجسم الأكبر ، وتدور لأسفل لإضافة كتلتها إلى الكتلة. يمكن للكتل الكبيرة والكواكب الصغيرة أن تجذب الحصى من 100 إلى 1000 ضعف نصف قطرها ، وتمتصها وتنمو بشكل أكبر وأكبر.

وهنا يأتي دور المحاكاة الجديدة. في أقدم نموذج لتراكم الحصى ، انتهى المطاف بنحو 100 كوكب صغير بالحصول على حصة متساوية من الحصى ليصبح كل منها حوالي 10 بالمائة من حجم الأرض ، مع عدم نمو أي منها بشكل كبير بما يكفي لتشكيل جوهر عملاق الغاز. لكن في النموذج الجديد ، لا يلعبون بشكل جيد ؛ الأجسام الأكبر تطرد الأصغر من الطريق.

قالت كاثرين كريتك ، المؤلفة المشاركة في الدراسة ، من SwRI أيضًا ، لموقع guesswhozoo.com: `` تميل الأجسام الأكبر الآن إلى تشتيت الكائنات الأصغر حجمًا أكثر من العناصر الصغيرة التي تبعثرها مرة أخرى ، لذلك ينتهي الأمر بالأجسام الأصغر حجمًا خارج قرص الحصى ''. . 'الرجل الأكبر يتنمر بشكل أساسي على الأصغر حتى يتمكنوا من أكل جميع الحصى بأنفسهم ، ويمكنهم الاستمرار في النمو لتشكيل نوى الكواكب العملاقة.' [اختبار قصير: ما مدى معرفتك بنظامنا الشمسي؟ ]

وجد الفريق أنه مع أخذ هذه التفاعلات في الاعتبار ، فإن مشكلة عدد كبير جدًا من الكواكب الصغيرة تتلاشى. تشكل عملية تراكم الحصى الكواكب بسرعة ، ويبدأ النظام في الظهور مألوفًا جدًا.

`` نحن قادرون على أخذ هذه الشروط الأولية لـ `` بسيطة إلى حد ما ، مع بعض الكواكب الصغيرة والحصى '' ، وننمو إلى شيء يحتوي على اثنين من الكواكب العملاقة ، وبعض الأجسام الجليدية في الخارج ، ليكون أورانوس ونبتون ، وما وراء ذلك غير مضطرب. قال كريتك: حزام كايبر. 'لذا ، إلى حد كبير نظامنا الشمسي.'

فنان

رسم فنان للغاز والغبار يخلقان كواكب حول نجم شاب.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)

ما يصل إلى السرعة

تم اكتشاف النموذج القائم على الحصى لتشكيل الغاز العملاق بسرعة ، وفقًا لـ Levison ، وكذلك Johansen ، المؤلف المشارك للورقة الأولى التي تقترح النموذج.

يوهانسن لديه تخمين حول السبب: 'في بعض الأحيان ، تحصل على فكرة تجعل الأشياء تعمل بشكل أفضل بمعامل 2 أو 5 أو شيء من هذا القبيل ،' قال لموقع ProfoundSpace.org. يمكن للمرء أن يُظهر بسهولة شديدة من خلال تراكم الحصى أنه يمكن أن يسرع تشكيل الكوكب بعامل 1000 - من الصعب للغاية الالتفاف على ذلك. عليك أن تأخذ ذلك على محمل الجد.

تساعد الأبحاث مثل أبحاث ليفيسون في تجسيد النظرية ، باستخدام المحاكاة الحاسوبية المتقدمة لاكتشاف خصائص الأنظمة المتكونة من عملية تراكم الحصى. (استغرقت عملية تشغيل محاكاة كاملة لتشكيل النظام الشمسي حوالي أسبوعين). وقال جوهانسن إنه باستخدام هذه البيانات ، يمكن للباحثين مقارنة تلك الخصائص بتلك التي نعرف عنها في الكواكب في أنظمة النجوم الأخرى لمعرفة مدى توافقهما.

يقول ديفيد ستيفنسون ، عالم الكواكب في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في القاهرة: 'يمكن تجنب بعض قصص تكوين الكواكب - أي أن هناك قصصًا بديلة - ولكن من المحتمل أن تكون قصة تراكم الحصى بشكل أو بآخر مهمة'. أخبر باسادينا ، الذي لم يشارك في الدراسة ، موقع ProfoundSpace.org عبر البريد الإلكتروني. تظهر هذه الورقة الأمل في التغلب على بعض الصعوبات التي تم تحديدها مسبقًا.

مع قيام المزيد من الباحثين بنمذجة ودراسة جوانب مختلفة من نموذج تراكم الحصى ، سيكونون قادرين على رسم صورة أكثر تفصيلاً للعملية وما تعنيه لنظامنا الشمسي والآخرين الذين نجدهم في جميع أنحاء المجرة.

قال جون تشامبرز ، عالم الكواكب في معهد كارنيجي بواشنطن ، 'إنها طريقة جديدة تمامًا للنظر إلى تكوين الكواكب ، وما زال الناس يعملون على تحديد ما تعنيه بالضبط'. لا يشارك تشامبرز أيضًا في دراسة النمذجة الجديدة ، لكنه كان يدرس ما تعنيه عملية تراكم الحصى للشكل العام للنظام الشمسي.

وقال لموقع ProfoundSpace.org: 'لكنه بالتأكيد يزعزع الأمور'.

كان العمل الجديد مفصل على الإنترنت اليوم (19 أغسطس) في مجلة Nature .

أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى سارة لوين على slewin@guesswhozoo.com أو اتبعها تضمين التغريدة .تابعنا تضمين التغريدة و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك و + Google . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .