Астрономы объяснили, как небольшие комки космической пыли превращаются в планетезимали в аккреционном диске звезды. По мнению ученых, в этом процессе важную роль играют так называемые пылевые ловушки и аэродинамическое сопротивление.

Работа ученых опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Планетные системы, подобные Солнечной системе, начинают свое существование в виде газопылевого диска вокруг звезды. Частицы пыли в протопланетном диске хаотически двигаются вместе с потоками газа, при этом сталкиваясь и слипаясь друг с другом. Постепенно эти небольшие комки космической пыли, размером всего в несколько сантиметров, собираются в гораздо более крупные тела, называемые планетезималями. Именно они служат зародышами для будущих планет.

Учеными хорошо изучено, благодаря каким процессам частицы пыли превращаются в маленькие комки, а также каким образом километровые планетезимали образуют ядра планет. В то же время, астрофизикам до сих пор было очень мало известно о том, как космическая пыль формирует тела, по размерам сравнимые с астероидами.

Для того, чтобы комки пыли могли стать планетезималями, им необходимо преодолеть два препятствия. Во-первых, из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем скорость свободных тел на таком же расстоянии. Как следствие, частицы размером более нескольких миллиметров опережают газ, а встречный поток их затормаживает их и вынуждает по спирали опускаться к звезде.

Чем крупнее становятся пылинки, тем быстрее они «падают» туда, где они испарятся и разрушатся. Во-вторых, подросшие частицы при столкновении друг с другом на высокой скорости могут опять распасться на огромное число более мелких, что повернет процесс накопления массы вспять.

Единственная область в протопланетном диске, где обе эти проблемы могут быть решены, это пылевые ловушки. Так называют области высокого давления, где дрейфовое движение замедляется, что позволяет пылинкам слипаться и разрастаться, не разрушаясь при этом при столкновениях. Раньше астрономы считали, что такие пылевые ловушки могут существовать только в очень специфичных условиях, однако авторы новой работы показали, что они должны быть распространены гораздо шире.

Исследователи провели компьютерную симуляцию того, как пылинки взаимодействуют с газом в протопланетном диске. В большинстве случаев движением частиц управляли потоки газа, однако в некоторых, наиболее «пыльных» моделях, по словам ученых, наблюдалась обратная картина, и скопление частиц меняло структуру газа в диске. Такой эффект называется обратное аэродинамическое сопротивление, и, как правило, исследователи его игнорируют при изучении роста и фрагментации комков пыли. Однако авторы работы заявляют, что в «густых» протопланетных дисках он играет важную роль.

Модель показала, что благодаря обратному аэродинамическому сопротивлению движение пылинок к материнской звезде замедляется, что дает им время подрасти. После того как они укрупняются, газ уже не управляет их движением. Со временем он начинает выталкиваться в более далекие регионы диска, формируя области высокого давления: пылевые ловушки. В них постепенно накапливаются частицы из внешних областей газопылевого диска, образуя более крупные комки, которые со временем сформируют планетезимали.

«Мы были очень взволнованы, обнаружив, что при правильном наборе ингредиентов пылевые ловушки могут формироваться спонтанно в самых разных условиях. Это простое и ясное решение давней проблемы формирования планет», — комментирует новость один из авторов работы.

Исследователи еще много лет назад предположили, что в протопланетных дисках должны существовать пылевые ловушки, однако подтвердить эту гипотезу удалось лишь в 2013 году. Тогда астрофизики впервые с помощью телескопа ALMA увидели пылевую ловушку в системе Oph-IRS 48. Кроме того, ALMA недавно помог ученым получить детальные снимки сразу нескольких протопланетных дисков вокруг молодых звезд.