В астрофизике аккреция — это накопление частиц в массивном объекте путем гравитационного притяжения большего количества материи, как правило, газообразной , в аккреционный диск . [1] [2] Большинство астрономических объектов , таких как галактики , звезды и планеты , образуются в результате процессов аккреции.
Модель аккреции, согласно которой Земля и другие планеты земной группы образовались из метеоритного материала, была предложена в 1944 году Отто Шмидтом , за ней последовала теория протопланет Уильяма МакКри (1960) и, наконец, теория захвата Майкла Вулфсона . [3] В 1978 году Эндрю Прентис возродил первоначальные идеи Лапласа о формировании планет и разработал современную теорию Лапласа . [3] Ни одна из этих моделей не оказалась полностью успешной, и многие из предложенных теорий были описательными.
Модель аккреции 1944 года Отто Шмидта была дополнительно развита количественным способом в 1969 году Виктором Сафроновым . [4] Он подробно рассчитал различные стадии формирования планет земной группы. [5] [6] С тех пор модель была дополнительно развита с использованием интенсивного численного моделирования для изучения накопления планетезималей . В настоящее время принято считать, что звезды образуются в результате гравитационного коллапса межзвездного газа . До коллапса этот газ в основном находится в форме молекулярных облаков, таких как туманность Ориона . По мере того, как облако коллапсирует, теряя потенциальную энергию, оно нагревается, приобретая кинетическую энергию, и сохранение углового момента гарантирует, что облако образует сплющенный диск — аккреционный диск .
Через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла до точки, в которой могли образоваться атомы. По мере того, как Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, атомы потеряли достаточно кинетической энергии, а темная материя достаточно сгустилась, чтобы сформировать протогалактики . По мере дальнейшей аккреции образовались галактики . [7] Косвенные доказательства широко распространены. [7] Галактики растут посредством слияний и плавной аккреции газа. Аккреция также происходит внутри галактик, образуя звезды.
Считается, что звезды формируются внутри гигантских облаков холодного молекулярного водорода — гигантских молекулярных облаков размером примерно 300 000 M ☉ и диаметром 65 световых лет (20 пк ). [8] [9] На протяжении миллионов лет гигантские молекулярные облака склонны к коллапсу и фрагментации. [10] Затем эти фрагменты образуют небольшие плотные ядра, которые, в свою очередь, коллапсируют в звезды. [9] Масса ядер варьируется от доли до нескольких раз больше массы Солнца и называется протозвездными (протосолнечными) туманностями. [8] Они обладают диаметрами 2 000–20 000 астрономических единиц (0,01–0,1 пк ) и плотностью частиц примерно от 10 000 до 100 000/см 3 (от 160 000 до 1 600 000/куб. дюйм). Сравните это с плотностью частиц воздуха на уровне моря — 2,8 × 10 19 /см 3 (4,6 × 10 20 /куб. дюйм). [9] [11]
Первоначальный коллапс протозвездной туманности солнечной массы занимает около 100 000 лет. [8] [9] Каждая туманность начинается с определенного количества углового момента . Газ в центральной части туманности с относительно низким угловым моментом подвергается быстрому сжатию и образует горячее гидростатическое (несжимающееся) ядро, содержащее небольшую долю массы исходной туманности. Это ядро образует семя того, что станет звездой. [8] По мере продолжения коллапса сохранение углового момента диктует, что вращение падающей оболочки ускоряется, что в конечном итоге образует диск.
По мере того, как падение материала из диска продолжается, оболочка в конечном итоге становится тонкой и прозрачной, и молодой звездный объект (YSO) становится наблюдаемым, сначала в дальнем инфракрасном свете, а затем в видимом. [11] Примерно в это же время протозвезда начинает синтезировать дейтерий . Если протозвезда достаточно массивна (выше 80 МДж ) , следует синтез водорода. В противном случае, если ее масса слишком мала, объект становится коричневым карликом . [12] Это рождение новой звезды происходит примерно через 100 000 лет после начала коллапса. [8] Объекты на этой стадии известны как протозвезды класса I, которые также называются молодыми звездами типа Т Тельца , эволюционировавшими протозвездами или молодыми звездными объектами. К этому времени формирующаяся звезда уже аккрецировала большую часть своей массы; общая масса диска и оставшейся оболочки не превышает 10–20% от массы центрального YSO. [11]
На следующем этапе оболочка полностью исчезает, будучи собранной диском, и протозвезда становится классической звездой типа Т Тельца. [13] Последние имеют аккреционные диски и продолжают аккрецировать горячий газ, что проявляется в виде сильных эмиссионных линий в их спектре. Первые не обладают аккреционными дисками. Классические звезды типа Т Тельца эволюционируют в слаболинейчатые звезды типа Т Тельца. [14] Это происходит примерно через 1 миллион лет. [8] Масса диска вокруг классической звезды типа Т Тельца составляет около 1–3% от массы звезды, и он аккрецируется со скоростью от 10−7 до 10−9 M ☉ в год. [15] Обычно также присутствует пара биполярных струй. Аккреция объясняет все необычные свойства классических звезд типа Т Тельца: сильный поток в эмиссионных линиях (до 100% собственной светимости звезды), магнитную активность, фотометрическую переменность и струи. [16] Эмиссионные линии фактически формируются, когда аккрецированный газ ударяется о «поверхность» звезды, что происходит вокруг ее магнитных полюсов . [16] Джеты являются побочными продуктами аккреции: они уносят избыточный угловой момент. Классическая стадия T Тельца длится около 10 миллионов лет [8] (есть лишь несколько примеров так называемых дисков Питера Пэна , где аккреция продолжается в течение гораздо более длительных периодов, иногда более 40 миллионов лет [17] ) . Диск в конечном итоге исчезает из-за аккреции на центральную звезду, образования планет, выброса джетами и фотоиспарения ультрафиолетовым излучением центральной звезды и близлежащих звезд. [18] В результате молодая звезда становится слаболинейчатой звездой T Тельца , которая за сотни миллионов лет эволюционирует в обычную звезду, похожую на Солнце, в зависимости от ее начальной массы.
Самоаккреция космической пыли ускоряет рост частиц в планетезимали размером с валун . Более массивные планетезимали аккрецируют некоторые более мелкие, в то время как другие разбиваются при столкновениях. Аккреционные диски распространены вокруг меньших звезд, звездных остатков в тесной двойной системе или черных дыр , окруженных материалом (например, в центрах галактик ). Некоторая динамика в диске, такая как динамическое трение , необходима для того, чтобы позволить вращающемуся газу потерять угловой момент и упасть на центральный массивный объект. Иногда это может привести к слиянию звездной поверхности (см. аккреция Бонди ).
В формировании планет земной группы или планетарных ядер можно рассмотреть несколько стадий. Во-первых, когда сталкиваются частицы газа и пыли, они агломерируются микрофизическими процессами, такими как силы Ван-дер-Ваальса и электромагнитные силы , образуя частицы размером с микрометр. На этом этапе механизмы накопления в основном негравитационные по своей природе. [19] Однако формирование планетезималей в диапазоне от сантиметра до метра не очень хорошо изучено, и не дано убедительного объяснения, почему такие частицы будут накапливаться, а не просто отскакивать. [19] : 341 В частности, до сих пор не ясно, как эти объекты растут, чтобы стать планетезималями размером 0,1–1 км (0,06–0,6 мили); [5] [20] эта проблема известна как «барьер размера метра»: [21] [22] По мере того, как частицы пыли растут путем коагуляции, они приобретают все большие относительные скорости по отношению к другим частицам в их окрестности, а также систематическую внутреннюю скорость дрейфа, что приводит к разрушительным столкновениям и тем самым ограничивает рост агрегатов до некоторого максимального размера. [23] Уорд (1996) предполагает, что когда медленно движущиеся зерна сталкиваются, очень низкая, но ненулевая, гравитация сталкивающихся зерен препятствует их выходу. [19] : 341 Также считается, что фрагментация зерен играет важную роль в пополнении мелких зерен и поддержании толщины диска, а также в поддержании относительно высокого содержания твердых частиц всех размеров. [23]
Было предложено несколько механизмов для преодоления барьера «метрового размера». Могут образовываться локальные концентрации гальки, которые затем гравитационно коллапсируют в планетезимали размером с крупные астероиды. Эти концентрации могут возникать пассивно из-за структуры газового диска, например, между вихрями, на скачках давления, на краю зазора, созданного гигантской планетой, или на границах турбулентных областей диска. [24] Или частицы могут играть активную роль в своей концентрации через механизм обратной связи, называемый потоковой неустойчивостью . При потоковой неустойчивости взаимодействие между твердыми частицами и газом в протопланетном диске приводит к росту локальных концентраций, поскольку новые частицы накапливаются вслед за малыми концентрациями, заставляя их вырастать в массивные нити. [24] С другой стороны, если зерна, которые образуются из-за агломерации пыли, являются высокопористыми, их рост может продолжаться до тех пор, пока они не станут достаточно большими, чтобы разрушиться из-за собственной гравитации. Низкая плотность этих объектов позволяет им оставаться прочно связанными с газом, тем самым избегая высокоскоростных столкновений, которые могли бы привести к их эрозии или фрагментации. [25]
В конечном итоге зерна слипаются, образуя тела размером с гору (или больше), называемые планетезималями. Столкновения и гравитационные взаимодействия между планетезималями объединяются, чтобы произвести планетарные эмбрионы размером с Луну ( протопланеты ) примерно за 0,1–1 миллион лет. Наконец, планетарные эмбрионы сталкиваются, образуя планеты за 10–100 миллионов лет. [20] Планетезимали достаточно массивны, чтобы взаимные гравитационные взаимодействия были достаточно значительны, чтобы их можно было учитывать при расчете их эволюции. [5] Росту способствует орбитальный распад меньших тел из-за сопротивления газа, что не дает им застрять между орбитами эмбрионов. [26] [27] Дальнейшие столкновения и накопление приводят к появлению планет земной группы или ядер планет-гигантов.
Если планетезимали образовались в результате гравитационного коллапса локальных скоплений гальки, их рост в планетарные эмбрионы и ядра гигантских планет определяется дальнейшими аккрециями гальки. Аккреция гальки происходит за счет газового сопротивления, которое ощущают объекты, ускоряясь по направлению к массивному телу. Газовое сопротивление замедляет гальку ниже скорости убегания массивного тела, заставляя их двигаться по спирали к нему и аккрецироваться им. Аккреция гальки может ускорить образование планет в 1000 раз по сравнению с аккрецией планетезималей, позволяя гигантским планетам формироваться до рассеивания газового диска. [28] [29] Однако рост ядра посредством аккреции гальки кажется несовместимым с конечными массами и составами Урана и Нептуна . [30] Прямые расчеты показывают, что в типичном протопланетном диске время формирования гигантской планеты путем аккреции гальки сопоставимо со временем формирования в результате аккреции планетезималей. [31]
Формирование планет земной группы отличается от формирования гигантских газовых планет, также называемых планетами-гигантами . Частицы, из которых состоят планеты земной группы, состоят из металла и камня, которые сконденсировались во внутренней части Солнечной системы . Однако планеты-гиганты начинались как большие ледяные планетезимали, которые затем захватили водород и гелий из солнечной туманности . [32] Различия между этими двумя классами планетезималей возникают из-за линии замерзания солнечной туманности. [33]
Метеориты содержат записи об аккреции и ударах на всех стадиях происхождения и эволюции астероидов ; однако механизм аккреции и роста астероидов не очень хорошо изучен. [34] Данные свидетельствуют о том, что основной рост астероидов может быть результатом аккреции с помощью газа хондр , которые представляют собой сферулы размером с миллиметр, которые образуются как расплавленные (или частично расплавленные) капли в космосе перед аккрецией на их родительские астероиды. [34] Во внутренней части Солнечной системы хондры, по-видимому, имели решающее значение для инициирования аккреции. [35] Крошечная масса астероидов может быть частично обусловлена неэффективным образованием хондр за пределами 2 а.е. или менее эффективной доставкой хондр из окрестностей протозвезды. [35] Кроме того, удары контролировали образование и разрушение астероидов и, как полагают, являются основным фактором их геологической эволюции. [35]
Хондры, металлические зерна и другие компоненты, вероятно, образовались в солнечной туманности . Они срослись вместе, образовав родительские астероиды. Некоторые из этих тел впоследствии расплавились, образовав металлические ядра и богатые оливином мантии ; другие были изменены водой. [35] После того, как астероиды остыли, они были разрушены ударами в течение 4,5 миллиардов лет или разрушены. [36]
Для того чтобы произошла аккреция, скорости удара должны быть меньше, чем примерно в два раза больше скорости убегания, которая составляет около 140 м/с (460 футов/с ) для астероида радиусом 100 км (60 миль). [35] Простые модели аккреции в поясе астероидов обычно предполагают, что пылинки размером в микрометр слипаются и оседают на средней плоскости туманности, образуя плотный слой пыли, который из-за гравитационных сил был преобразован в диск планетезималей размером в километр. Но несколько аргументов [ какие? ] предполагают, что астероиды могли не аккрецировать таким образом. [35]
Кометы или их предшественники образовались во внешней Солнечной системе, возможно, за миллионы лет до образования планет. [37] Как и когда образовались кометы, является предметом споров, с различными последствиями для формирования, динамики и геологии Солнечной системы. Трехмерное компьютерное моделирование показывает, что основные структурные особенности, наблюдаемые на ядрах комет, могут быть объяснены парной низкоскоростной аккрецией слабых кометезималей. [38] [39] В настоящее время предпочтительным механизмом образования является механизм небулярной гипотезы , которая утверждает, что кометы, вероятно, являются остатком исходных планетезимальных «строительных блоков», из которых выросли планеты. [40] [41] [42]
Астрономы считают, что кометы возникают как в облаке Оорта , так и в рассеянном диске . [43] Рассеянный диск образовался, когда Нептун мигрировал наружу в прото-пояс Койпера, который в то время был намного ближе к Солнцу, и оставил после себя популяцию динамически стабильных объектов, которые никогда не могли быть затронуты его орбитой ( собственно пояс Койпера ), и популяцию, перигелии которых достаточно близки, чтобы Нептун все еще мог их беспокоить, путешествуя вокруг Солнца (рассеянный диск). Поскольку рассеянный диск динамически активен, а пояс Койпера относительно динамически стабилен, рассеянный диск теперь рассматривается как наиболее вероятная точка происхождения периодических комет. [43] Классическая теория облака Оорта утверждает, что облако Оорта, сфера размером около 50 000 а.е. (0,24 пк) в радиусе, образовалось в то же время, что и солнечная туманность, и иногда выпускает кометы во внутреннюю часть Солнечной системы, когда гигантская планета или звезда проходит поблизости и вызывает гравитационные нарушения. [44] Примеры таких кометных облаков, возможно, уже были замечены в туманности Улитка . [45]
Миссия Rosetta к комете 67P/Чурюмова–Герасименко в 2015 году определила, что когда тепло Солнца проникает через поверхность, оно запускает испарение (сублимацию) погребенного льда. Хотя часть образующегося водяного пара может выходить из ядра, 80% его повторно конденсируется в слоях под поверхностью. [ 46] Это наблюдение подразумевает, что тонкие богатые льдом слои, обнаженные близко к поверхности, могут быть следствием кометной активности и эволюции, и что глобальное расслоение не обязательно происходит на ранних этапах истории формирования кометы. [46] [47] В то время как большинство ученых считали, что все доказательства указывают на то, что структура ядер комет представляет собой обработанные груды обломков более мелких ледяных планетезималей предыдущего поколения, [48] миссия Rosetta подтвердила идею о том, что кометы представляют собой «груды обломков» разнородного материала. [49] [50] Кометы, по-видимому, сформировались как тела размером около 100 км, а затем в подавляющем большинстве случаев подверглись измельчению или повторному контакту, став их нынешними состояниями. [51]