Ученые долго пытались понять, как образуются общие планеты. Новое суперкомпьютерное моделирование показывает, что недостающим компонентом может быть магнетизм.
Робин Джордж Эндрюс
Нам нравится считать себя уникальными. Это тщеславие может быть даже справедливо, когда речь идет о нашем космическом соседстве: Несмотря на то, что планеты между размерами Земли и Нептуна кажутся наиболее распространенными в космосе, в Солнечной системе нет планет средней массы.
Проблема в том, что наши лучшие теории формирования планет—отлитые, как они есть, из форм того, что мы наблюдаем на нашем собственном заднем дворе,—не были достаточными, чтобы действительно объяснить, как формируются планеты. Однако одно исследование, опубликованное в Nature Astronomy в феврале 2021 года , показывает, что, принимая во внимание магнетизм, астрономы могут объяснить поразительное разнообразие планет, вращающихся вокруг чужих звезд.
Пока еще слишком рано говорить, является ли магнетизм ключевым недостающим ингредиентом в наших моделях формирования планет, но новая работа , тем не менее, является “очень крутым новым результатом”, сказал Андерс Йохансен, планетолог из Копенгагенского университета, который не участвовал в этой работе.
До недавнего времени гравитация была звездой шоу. В наиболее часто цитируемой теории формирования планет, известной как аккреция ядра, массивные камни, вращающиеся вокруг молодого солнца, яростно сталкиваются снова и снова, прикрепляясь друг к другу и становясь больше с течением времени. В конце концов они создают объекты с достаточной гравитацией, чтобы поглощать все больше материала—сначала превращаясь в маленькую планетезималь, затем в большую протопланету, а затем, возможно, в полноценную планету.
Однако гравитация действует не одна. Звезда постоянно выдувает радиацию и ветры, которые выталкивают материал в космос. Скалистые материалы труднее вытеснить, поэтому они сливаются ближе к Солнцу в скалистые планеты. Но радиация взрывает более легко испаряемые элементы и соединения—различные льды, водород, гелий и другие легкие элементы—на дальние границы звездной системы, где они образуют газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, и ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун.
Но ключевая проблема этой идеи заключается в том, что для большинства потенциальных планетарных систем ветры портят вечеринку. Пыль и газ, необходимые для создания газового гиганта, выдуваются быстрее, чем может образоваться здоровенный, газообразный мир. Всего за несколько миллионов лет эта материя либо падает в звезду-хозяина, либо выталкивается этими звездными ветрами в глубокий, недоступный космос.
В течение некоторого времени ученые подозревали, что магнетизм также может играть определенную роль. Что конкретно делают магнитные поля, остается неясным, отчасти из-за сложности включения магнитных полей наряду с гравитацией в компьютерные модели, используемые для исследования формирования планет. В астрономии, говорит Мередит Макгрегор, астроном из Университета Колорадо в Боулдере, есть распространенный рефрен: “Мы не говорим о магнитных полях, потому что они трудны.”
И все же магнитные поля обычны вокруг планетезималей и протопланет, исходящие либо от самой звезды, либо от движения омываемого звездным светом газа и пыли. В общих чертах астрономы знают, что магнитные поля могут защитить зарождающиеся планеты от звездного ветра или, возможно, расшевелить диск и переместить планетообразующий материал. “Мы давно знаем, что магнитные поля можно использовать в качестве щита и использовать для разрушения вещей”, - сказала Зои Лейнхардт, планетолог из Бристольского университета, который не участвовал в этой работе. Но подробностей не хватало, а физика магнитных полей такого масштаба изучена слабо.
“Достаточно сложно смоделировать гравитацию этих дисков в достаточно высоком разрешении и понять, что происходит”, - сказал Равит Хеллед, планетолог из Цюрихского университета. Добавление магнитных полей-значительно более сложная задача.
В своей новой работе Хеллед вместе со своим цюрихским коллегой Лусио Майером и Хунпином Денгом из Кембриджского университета использовали суперкомпьютер PizDaint, самый быстрый в Европе, для выполнения моделирования с чрезвычайно высоким разрешением, включающего магнитные поля наряду с гравитацией.
Магнетизм, по-видимому, имеет три ключевых эффекта. Во—первых, магнитные поля защищают определенные сгустки газа—те, которые могут вырасти в более мелкие планеты-от разрушительного влияния звездного излучения. Кроме того, эти магнитные коконы также замедляют рост того, что могло бы стать сверхмассивными планетами. Магнитное давление, выталкивающееся в пространство, “останавливает проникновение новой материи, - сказал Майер, - может быть, не полностью, но оно значительно уменьшает ее.”
Третий видимый эффект одновременно разрушителен и созидателен. Магнитные поля могут перемешивать газ. В некоторых случаях это влияние разрушает протопланетные сгустки. В других он толкает газ ближе друг к другу, что способствует слипанию.
Вместе взятые, эти влияния, по-видимому, приводят к большему числу меньших миров и меньшему числу гигантов. И в то время как эти симуляции рассматривали только образование газовых миров, в действительности эти прототипические миры также могут наращивать твердый материал, возможно, вместо этого становясь скалистыми мирами.
В целом, эти симуляции намекают на то, что магнетизм может быть частично ответственен за обилие экзопланет средней массы, будь то меньшие Нептуны или большие Земли.
“Мне нравятся их результаты, и я думаю, что они многообещающие, - сказал Лейнхард. Но даже несмотря на то, что на стороне исследователей был суперкомпьютер, разрешение отдельных миров остается нечетким. На данном этапе мы не можем быть полностью уверены в том, что происходит с магнитными полями протопланетного масштаба. “Это скорее доказательство концепции, что они могут сделать это, они могут сочетать гравитацию и магнитные поля, чтобы сделать что-то очень интересное, чего я раньше не видел.”
Исследователи не утверждают, что магнетизм является вершителем судеб всех миров. Вместо этого магнетизм-всего лишь еще один ингредиент в планетообразующем попурри. В некоторых случаях это может быть важно, в других - нет. Что вполне подходит, если учесть миллиарды и миллиарды отдельных планет только в нашей галактике. “Вот что делает это поле таким захватывающим и живым, - сказал Хеллед. - Никогда не было и не будет недостатка в астрономических курьезах, которые нужно исследовать и понять.
