Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Процессы образования планет и астероидов.

      Этот пост - конспект к третьему занятию по программе курса по астрофизике для средней школы. Он содержит описание джинсовской неустойчивости газово-пылевых облаков и процессов образования протопланетных дисков, планетезималей, астероидов и планет.



      1. Джинсовская неустойчивость и коллапс газово-пылевых облаков.
      Любые макроскопические флуктуации плотности газа распространяются по нему в виде волн сжатия-растяжения. Другими словами - звука. Однако, если пространственный масштаб флуктуаций весьма велик, то в областях сжатии газа в работу включаются силы гравитации, стремящиеся усилить это сжатие. Они вступают в конкуренцию с силами давления газа, стремящимися "растащить" это уплотнение газа. Какая из этих сил победит - зависит от пространственного масштаба флуктуации Lф.

      Оценка критического размера флуктуации газа методом размерностей дает результат по порядку величины:

                                          Lcr ~ Cs / квадратный корень(G*плотность газа),

где Cs - скорость звука в газе, G - гравитационная постоянная (перед этим показать работу метода размерностей на примере определения либо частоты колебаний математического маятника, либо скорости волн цунами). При пространственном масштабе флуктуации плотности газа Lф>Lcr эта флуктация, если она уплотнение, будет прогрессивно сжиматься (эффект самогравитации). Этот эффект принято называть гравитационной или джинсовской неустойчивостью. В противном случае (Lф<Lcr) плотность газа во флуктуации будет колебаться вокруг своего равновесного значения.

      Газ в космосе из-за этой неустойчивости фрагментируется в газовые облака. Из самых больших облаков со временем образуются скопления галактик. Из меньших - галактики. Из еще меньших - звездные скопления. А из самых "маленьких" - звезды и их планетные системы.

      2. Протопланетные диски, планетезимали и образование планет.
      Из газовых облаков звездной массы (от нескольких сотых до многих десятков масс Солнца) образуются звезды, нередко двойные и тройные, и их планетные системы. Но поскольку газовые облака обычно вращаются, то вдоль оси вращения они сжимаются быстрее, чем поперек ее. В результате получаются центральная звезда (или совокупность 2-3 звезд) и газовый диск.

      На самом деле такой диск не является чисто газовым. В нем помимо водорода и гелия есть немало пыли, состоящей из атомов второй и следующих строчек таблицы Менделеева. Которые были выброшены из недр взорвавшихся ранее звезд. Эти пылинки сталкиваются, слипаются, растут в размерах, становятся довольно рыхлыми "каменными" образованиями (планетезимали), достигают масштабов небольших астероидов, уплотняются самогравитацией и, наконец, из этих образований образуются планеты. Этот процесс от стадии протопланетного диска до образования планет занимает от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов лет в зависимости от плотности протопланетного диска.

В качестве иллюстрации приведу два примера таких протопланетных дисков возрастом порядка миллиона лет. Первый - у звезды HL Тельца, второй - у звезды DG Тельца. На первом снимке видны темные кольцевые щели, в которых начинают образовываться планеты. К снимку второго в квадратике приложено видение художника описанных выше планетезималей. Изображения этих протопланетных дисков получены с помощью радиотелескопов, работающих в сантиметровом диапазоне.



      Рис. 1. Протопланетный диск у звезды HL Тельца.



      Рис. 2. Протопланетный диск у звезды DG Тельца.


      3. Закономерности планетных расстояний.
      Еще в конце 18 века Тициус и Боде заметили, что средние радиусы орбит планет в солнечной системе с малой погрешностью подчиняются правилу:


R_{{-1}}=0{,}4,




где числа даны в астрономических единицах (1 а.е. = 150 млн. км), R-1 - радиус орбиты Меркурия, i = 0 - для Венеры, i =1 - для Земли, i = 2 - для Марса, i = 3 - для Цереры (самый большой астероид в поясе астероидов, переквалифицированный недавно в карликовую планету), i = 4 - для Юпитера, i =5 - для Сатурна, i = 6 для Урана, i = 7 для Нептуна (выполняется с приличной погрешностью), i = 8 - для Плутона (с малой погрешностью). И это при том, что описанное правило было сформулировано до открытия Цереры, Урана, Нептуна и Плутона.

      Правило Тициуса-Боде до сих пор не нашло объяснения в рамках общих физических принципов. И, скорее всего, не найдет. Поскольку что-либо похожее на какое-либо подобное правило в открываемых системах экзопланет не видно. Для примера приведу систему планет у звезды "Траппист-1":



Рис. 3. Система каменных планет у звезды "Траппист-1"

На досуге можете порезвиться выводом правила типа Тициуса-Боде или иного для системы планет "Траппист-1".


      Скорее всего закономерности расстояний планет от материнских звезд определяются распределениями плотности вещества в протопланетных дисках как функций расстояния от материнской звезды.

      4. Пояс астероидов.
      В солнечной системе между Марсом и Юпитером нет полноценной планеты. Но есть пояс небольших каменных тел размером от десятков метров до тысячи километров (карликовая планета Церера). Называемых астероидами. В целом он выглядит так:



      Рис. 4. Пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Основной пояс показан белыми точками. Группы "Греков" и "Троянцев" концентрируются вокруг точек Лагранжа L4 и L5 у Юпитера и вращаются вокруг Солнца синхронно с Юпитером (пояснить смысл точек Лагранжа). Группа "Хильды" находится напротив Юпитера и находится в орбитальном резонансе 3:2 с Юпитером.

      Причина, по которой вместо нормальной планеты образовался пояс астероидов, состоит, по-видимому, в том, что близость к слишком массивному Юпитеру не дала возможность планетезималям сконденсироваться в нормальную планету.

      5. Пояс Койпера и облако Оорта.
      Второй пояс огромного множества малых тел, преимущественно каменно-ледяных, в солнечной системе находится за пределами орбиты Нептуна. Называют его поясом Койпера. Крупнейший его объект из уже открытых - карликовая планета Плутон. Другие, не намного меньшие объекты вместе со своими спутниками, изображены на этом рисунке:



      Рис. 5. Крупнейшие объекты пояса Койпера.

      В поясе Койпера сейчас летает КА "Новые горизонты", запущенный туда в 2006 году. Исторический юмор с его запуском состоит в том, что формальное разрешение на его полет к Плутону дал астроном Клайд Томбо, открывший Плутон в 1930 году.



      Рис. 6. Схематическое изображение пояса Койпера и облака Оорта (линейка масштабов на картинке - логарифмическая в астрономических единицах).

      Пояс Койпера по сути является внешней частью протопланетного диска солнечной системы. В связи с чрезвычайной разреженностью вещества в нем по сравнению с внутренними областями этого диска образоваться крупные планеты в этом поясе не смогли. Сформировались лишь немало карликовых планет и множество астероидоподобных объектов.

      Вне пояса Койпера есть еще близкое к сферически симметричному облако Оорта. Скорее всего это не успевшая даже сплющиться периферия газово-пылевого облака, из которого сформировалась солнечная система. Этому облаку издавна приписывают роль "гнезда" долгопериодических комет. Другие его роли весьма гипотетичны и однозначно не подтверждаются.


Tags: Астрофизика-Л5
Subscribe

Recent Posts from This Journal

promo moralg march 5, 03:01 25
Buy for 20 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 9 comments