Зарядка пылевых частиц в протопланетных дисках способствовала росту тел и формированию планет

Пыль присутствует в большом количестве в межзвездной среде (МЗС). Межзвёздный газ почти равномерно перемешан с пылью, состоящей из частиц размером 10 нм – 1 мкм. Однако, здесь ее концентрация не так велика, как в протопланетных дисках, о которых пойдет речь в данной статье. Протопланетным диском называется газопылевой диск, предшествующий образованию планетной системы. В центре находится протозвезда – яркая звезда на начальной стадии своего формирования. Считается, что атмосферы холодных звезд являются источником пылинок, которые под действием лучевого давления протозвезды вылетают в МЗС. Причем в атмосферах углеродных звезд образуются графитовые пылевые частицы, в атмосферах массивных звезд с присутствием более тяжелых элементов – частицы, содержащие эти элементы. Элементы тяжелее железа в звездах не синтезируются и могут образовываться в процессе взрыва сверхновых звезд. При остывании элементы конденсируются и формируют пылевые частицы (при этом остается газовая составляющая, занимающая значительный объем вещества МЗС). Структура пылинок такова: железное или силикатное ядро, углеродный слой и ледяная оболочка, состоящая из водяного льда, льдов углекислого газа и аммиака.

В туманностях, в которых присутствует пыль (темных туманностях, отражательных туманностях), а также в молекулярных облаках её концентрация значительно выше, чем в МЗС, а размеры составляют в среднем доли микрометра и микрометры. В темных туманностях не могут образовываться массивные звезды. Возникновение молекулярных облаков связано с тепловой неустойчивостью межзвездной среды. Температуры в таких облаках достигают 10 К. В процессе ионизации космическими лучами образуется пылевая плазма, заряд на пылинках может достигать десяти зарядов электронов. Молекулярно-пылевые облака состоят в основном из водорода.

Молекулярный водород способствует росту пылевых частиц и, покидая их, образует основную часть молекулярной компоненты облаков, так как на пылевых частицах происходят процессы рекомбинации плазменной компоненты и образования молекул.

Предполагается совместное происхождение протозвезды и протооблака вокруг нее в результате аккреции вещества в молекулярных облаках (аккреция – это процесс увеличение массы объекта путём гравитационного притяжения материи из внешнего пространства). Аккреция вещества в определенной области молекулярного облака могла произойти из-за флуктуации плотности или гравитационного влияния соседних объектов. Область повышенного давления могла быть связана с повышением температуры (температура в протооблаке составляет 20 — 80 К), что, в частности, могло произойти из-за нагрева излучением неравномерно распределенного вещества или нагрева выбитыми с поверхности пылевых частиц фотоэлектронами (фотоэффект может быть осуществлен под воздействием излучения соседних звезд).

Чем ближе к звезде, тем из более глубоких слоев начальной межзвездной пыли состоят частицы, слагающие протопланетный диск. То есть, вблизи звезды встречаются каменные частицы (тугоплавкие ядра), на удалении – углеродные соединения, а на краю диска частицы с ледяными оболочками. Межзвездная пыль являлась материалом для построения комет и астероидов. Стоит отметить, что астероиды и кометы (зародыши планетезималей – предшественников планет) часто имеют пористую рыхлую структуру.Сжатие вращающегося газо-пылевого облака заканчивается образованием диска. Как именно это происходит? Протозвезда, оказывая на турбулентное газопылевое облако силовое воздействие, отдаёт ему момент импульса и отодвигает вещество облака от себя к периферии, что приводит к образованию вращающегося протопланетного диска [Dubrulle]. Масса газа к массе пыли в протопланетном диске 100/1.

Вещество, отодвигаясь от звезды, охлаждается и конденсируется в пылевые частицы. На удалении от звезды частицы не подвергаются плавлению и последующей конденсации, а сохраняются такими, какими аккрецируют в протооблако из молекулярного облака и первоначально из МЗС.

Скорость орбитального движения газа меньше, чем у пыли на том же расстоянии от звезды. В результате этого межзвездная пыль тормозится встречным потоком газа и опускается по спирали к звезде. При этом внешние оболочки пыли, состоящие изо льда, нагреваются и испаряются. Линия льда делит диск на область, где нет ледяных частиц и летучих веществ и область, богатую данными веществами и содержащую ледяные частицы. Она находится на расстоянии 2-4 а.е. В области «линии льда» из-за испарившихся молекул возникает скачок давления, ускоряющий движение газа вокруг звезды, что останавливает миграцию пылевых частиц внутрь диска. Поэтому область в окрестности «линии льда» превращается в зону их скопления и роста [Колесниченко]. Линии льда для водяного льда, льда углекислого газа и других газов находятся на различных расстояниях.

Ледяные частицы с высокой пористостью оказываются более стойкими к разрушениям из-за их высокой эффективности прилипания [Okuzumi]. В результате чего планеты-гиганты имеют бóльшие размеры, чем внутренние планеты и обладают плотными газовыми атмосферами, которые они смогли гравитационно захватить.

В результате совместного действия сил гравитации и центробежной силы пыль стремится в экваториальную плоскость. Диск имеет не плоскую форму, а расширяющуюся к краям из-за притока вещества из вне. Структура протопланетного диска такова – экваториальная плоскость, молекулярный слой и атмосфера диска.

Температуры в экваториальной области колеблются от 20 К до 50 К, в молекулярном слое от 20 до 150 К. В атмосфере диска присутствует горячая плазма с температурой около 10 000 К.

Размеры мелких пылевых частиц во внешних областях протопланетных дисков колеблются в пределах 0.001-0.1 мкм, что в среднем меньше, чем в межзвездной среде. Вероятность слипания пыли в результате парных столкновений резко уменьшается, когда частицы приобретают размеры 0.1-1 см. Однако, присутствуют другие механизмы, способствующие росту пылевых конгломератов, например, электростатические. Тела, которые достигли размера 1 м быстро дрейфуют к Солнцу в результате потери момента движения при торможении в газе (орбитальное движение газа медленнее, чем пыли) [Колесниченко]. Наблюдается, что во внутренних областях протопланетного диска рост пылевых частиц наиболее значительный. Здесь они могут вырастать от субмикронного до метрового размера за несколько сот тысяч лет. Однако, остается неясным вопрос о механизмах роста пыли с метровых до километровых размеров. Предполагается, что образование пылевых сгущений рыхлых, легко сцепляющихся тел, а также существование турбулентных вихрей, концентрирующих пылевые скопления, способствует этому процессу. Но существуют барьеры роста, препятствующие коагуляции пылевых частиц: радиальный барьер, дрожание (подпрыгивание) и фрагментация, а также электростатический барьер.

Радиальный барьер связан с тем, что из-за газового сопротивления частицы движутся к звезде и приобретают относительно большие скорости в этом направлении, в итоге они сталкиваются с другими частицами, что ведет к разрушению. Барьер связан с адвекцией газа (переносом газа в горизонтальном направлении). Адвекция является результатом вязкой эволюции газа, в результате чего частицы пыли увлекаются вместе с радиальной скоростью газа.

В молекулярном слое частицы достигают сантиметровых размеров, а в экваториальной области могут достигать километровых размеров.

В холодных внутренних областях диска молекулы могут налипать на пылевые частицы и образовывать ледяные оболочки сложного состава, а в ионизованной атмосфере молекулы диссоциируют из-за воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения протозвезды. В дисках встречаются такие молекулы, как полиароматические углеводороды, OH, CO, H₂), органические соединения CO, HCO⁺, N₂H⁺, CN, HCN, HNC, CS CH₃OH, и другие [Semenov]. На поверхности пыли могут происходить химические реакции, в том числе по синтезу органики.

На более поздних стадиях эволюции протопланетного диска в результате развития гравитационной неустойчивости, турбулентности, образования вихревых структур в диске и, по всей видимости, других не до конца изученных процессов, конгломераты частиц растут и образуют планетезимали. Когда плотность пыли достигает критического значения, диск становится гравитационно неустойчив и распадается на пылевые сгущения. В околозвездных дисках при определенных условиях могут формироваться огромные антициклонные вихри, которые будут притягивать пылевые частицы, являясь локальными максимумами давления, и приводить к ускоренному росту планетезималей. При этом, процесс слияния планетезималей происходит в два этапа: сначала образуются тела до 1 км, которые движутся по разным орбитам. Их движение медленное, в результате чего им легко столкнуться и образовать более крупные тела в несколько километров. Такие тела начинают аккумулировать находящиеся вокруг мелкие тела и газы и продолжать расти, превращаясь в планетезимали. А затем в результате развития неустойчивостей в движении этих тел и их слиянии друг с другом образуются планеты.

Рассмотрим более подробно электростатические механизмы коагуляции и дробления пыли в диске.

Зарядка пылевых частиц в результате воздействия окружающих электронов, ионов и ультрафиолетового излучения звезды может при разных условия приводить как к дроблению пылевых частиц в диске при достижении частицами высоких зарядов, так и к их коагуляции в конгломераты в результате действия сил электростатического притяжения. В разных областях диска складываются условия, при которых возможен тот или другой процесс.

Если на частицы воздействует излучение звезды, то они приобретают преимущественно положительный заряд в результате фотоэффекта (квант излучения звезды выбивает электрон с поверхности пылевой частицы, оставляя на ней положительный заряд). Заряды, приобретаемые частицами, также будут зависеть от материала частицы и спектра излучения (если максимум излучения звезды меньше, чем работа выхода частицы, то фотоэффект невозможен и частицы будут заряжаться отрицательно). Если излучение не проходит в определенные области диска, где много вещества (экваториальную и часть молекулярного слоя), то частицы заряжаются отрицательно из-за прилипания более мобильных электронов.

Вблизи звезды образуется область, где температура столь высока, что пыли не образуется. За этой областью расплавленное вещество космической пыли конденсируется в частицы и те начинают заряжаться токами окружающей плазмы (током электронов, ионов и фототоком, эмиссионными токами). Приобретая высокие положительные заряды в результате воздействия излучения, частицы начинают дробиться и раскалываться на более мелкие части. Отмечается, что на периферии диска, где излучение не блокируется веществом, больше мелких частиц, чем в середине. Если частицы дрейфуют от звезды в экваториальную плоскость диска в результате совместного действия сил гравитации и центробежной силы, то они приобретают равновесный стационарный отрицательный заряд, которого недостаточно для дробления. Отрицательная зарядка не будет приводить к критическим зарядам и, как следствие, к дроблению частиц.

В молекулярном слое частицы могут приобретать как положительные, так и отрицательные заряды, что приводит к коагуляции и росту больших пористых частиц, для которых важную роль будет играть также обратный фототок с окружающих частиц. Самое интересное происходит на границе слоев – в молекулярный слой проникают быстрые электроны из горячей атмосферы диска, которые будут налипать на частицы и влиять на коагуляцию конгломератов – в результате положительно заряженные частицы от проникающего УФ будут притягивать отрицательно заряженные электронами внешних слоев частицы. Однако, силы электростатического притяжения будут иметь место лишь на расстояниях, где заряд не экранирован (на расстояниях, меньше Дебаевского радиуса). То есть пылинки должны находиться достаточно близко друг от друга, чтобы притянуться посредством сил электростатического притяжения. Хотя концентрация пыли в диске достаточно мала, могут образовываться области сгущения пылевых частиц, где они будут находиться на расстояниях, меньших Дебаевского радиуса. Более того, существуют и другие плазменно-пылевые механизмы, которые будут приводить к притяжению частиц. Например, силы бомбардировки нейтралами и заряженными частицами, которые могут приводить к притяжению одноименно и разноименно заряженных пылевых частиц.

Таким образом, в результате электростатических эффектов и развития различных неустойчивостей (гравитационной, гравитационно-электростатической) могут складываться условия, когда как разноименные, так и одноименные частицы будут притягиваться и образовывать пылевые конгломераты.

За линией льда во внешней области диска УФ не проникает и там находятся ледяные частицы. Ледяные частицы образуют большие рыхлые конгломераты, устойчивые к разрушениям [Okuzumi]. Предполагается следующий механизм образования рыхлых ледяных частиц. Частицы слипаются в результате того, что при их столкновении энергия удара переходит в тепло, и соприкасающиеся поверхности разогреваются, плавятся, а потом снова замерзают, образуют хорошо сцепленный контакт.

Итак, предполагается следующий поэтапный сценарий образования планет из протопланетного диска:

1) в результате столкновений и электростатических эффектов микронные пылевые частицы образуют конгломераты сантиметровых размеров;

2) на образование метровых тел будет влиять неравномерность распределения вещества и наличие турбулентных вихрей, способных захватывать пылевые частицы; также из-за рыхлой структуры данные конгломераты могут захватывать выбитые в результате фотоэффекта фотоэлектроны или свободные электроны и уплотняться в результате сил электростатического притяжения; кроме того, за линией льда из-за механических процессов ледяные частицы склонны слипаться и образовывать пористые структуры, не склонные к разрушению

3) столкновения конгломератов частиц и гравитационная неустойчивость в диске будут приводить к образованию тел до километра;

4) медленное движение тел километрового размера будет способствовать их столкновениям и росту до планетеземалей

5) в результате резонансов между планетеземалями и их последующего слияния, они встают на определенные орбиты, которые со временем выравниваются в плоскости диска и образуют планеты.

Долгое время человечество могло судить о планетных системах только по нашей собственной Солнечной системе. Теперь современные телескопы позволяют разглядеть планеты у далеких звезд, посмотреть на протопланетные диски, предшествующие образованию планетных систем, а наблюдения в разных длинах волн дают возможность понять их особенности.

Формирующиеся протопланетные диски и протозвезды не являются изолированными объектами, они аккрецируют на себя вещество окружающих газовых облаков. Таким образом, эволюция звезд и протопланетных дисков в зависимости от окружающего вещества может идти по-разному.

Множественность наблюдений протопланетных дисков обеспечивает накопление набора данных о различных типах дисков, в том числе о дисках на разных этапах их формирования: от протооблака до его сжатия и формирования звезды и планет. Таким образом, мы можем описать эволюцию происхождения планет как в нашей, так и в других планетных системах.

Написано по мотивам научно-популярного мультфильма автора о протопланетных дисках:

https://www.youtube.com/watch?v=kECP_hi6_FI

Литература

Dubrulle B. Differential rotation as a source of angular momentum transfer in the solar nebula// Icarus. 1993. V. 106. P. 59-76.
Колесниченко А.В. О гидродинамической неустойчивости двухфазного газопылевого слоя в центральной плоскости фрактального протопланетного диска // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. Т. 212. С. 1-44. 2018.
Okuzumi S., Tanaka H., Kobayashi H., Wada K. Rapid Coagulation of Porous Dust Aggregates outside the Snow Line: A Pathway to Successful Icy Planetesimal Formation // The Astrophysical Journal. 2012. V.752. P.106.
Semenov D.A. Chemistry in protoplanetary disks. Chem Rev. 2013. V. 113(12). P. 9016-42.

Источник Потенциал. 2021. №1. С.19-26.

Об авторе: к.ф.-м.н., научный сотрудник Института космических исследований РАН. Научные интересы: плазменно-пылевые системы; нано- и микромасштабные объекты в природе; нелинейные волны и плазменная турбулентность; пылевая плазма у Луны, Марса, Фобоса и Деймоса, в ионосфере Земли.