Процесс формирования планет из мельчайших частиц пыли и камней, сталкивающихся и слипающихся в диске вокруг молодой звезды, известен как аккреция. Несмотря на фундаментальную роль в создании планетных систем, аккреция до сих пор остается не до конца понятой загадкой для ученых.
Чтобы пролить свет на эту тайну, группа астрофизиков из Университета Дуйсбург-Эссен (UDE) под руководством профессора доктора Герхарда Вурма и приват-доцента доктора Йенса Тайзера провела серию уникальных экспериментов. Их исследования проходили в условиях суборбитального полета на борту зондирующей ракеты Европейского космического агентства (ESA).
Основная цель этих экспериментов заключалась в наблюдении за скоростью столкновений и электрическим зарядом частиц пыли, а также в изучении роста агломератов пыли. Ученые стремились глубже понять так называемый «барьер столкновений», препятствующий дальнейшему росту частиц на ранних этапах формирования планет.
Планетообразование начинается в протопланетном диске – дискообразном облаке газа (99%) и пыли (1%), окружающем молодую звезду. В этом диске микроскопические пылинки, сталкиваясь, образуют агломераты. Со временем эти агломераты, слипаясь, превращаются в более крупные тела – планетезимали, диаметр которых может достигать от 1 до 100 километров. Планетезимали, в свою очередь, гравитационно притягивая вещество, растут до протопланет, а затем и до полноценных планет, достигающих в диаметре 10 000 километров. Весь этот процесс занимает миллионы лет.
Однако на пути роста частиц существует серьезное препятствие. Согласно современным моделям, пылинки размером более одного миллиметра не должны увеличиваться дальше. При столкновении они должны либо отскакивать друг от друга, либо разрушаться, не способствуя дальнейшей аккреции. Это явление и получило название «барьер столкновений».
Одним из возможных решений проблемы барьера столкновений является электростатический заряд. Многократные столкновения приводят к тому, что пылевые частицы приобретают разный электрический заряд и начинают притягиваться друг к другу электростатически. Это притяжение может преодолеть барьер столкновений и способствовать дальнейшему росту агломератов. Ранее, адгезия, обусловленная электростатическим зарядом, уже наблюдалась в экспериментах на борту гравитационной башни.
Несмотря на ценность экспериментов в гравитационных башнях, они ограничены кратковременностью микрогравитации, которая составляет всего около девяти секунд. Этого времени недостаточно для изучения конечного размера и стабильности растущих агломератов.
Суборбитальный полет ракеты предоставил ученым уникальную возможность проводить эксперименты в условиях микрогравитации на протяжении шести минут, при достижении высоты 270 километров. При этом управление экспериментами и мониторинг их хода осуществлялись с Земли.
Результаты суборбитальных экспериментов оказались весьма показательными. Ученым удалось непосредственно наблюдать рост компактных агломератов размером до 3 сантиметров. Кроме того, была измерена максимальная скорость столкновения, при которой отдельные частицы могут сталкиваться, не разрушая агломераты. Оказалось, что агломераты стабильны при бомбардировке частицами со скоростью до 0,5 метра в секунду. Скорости, превышающие 0,5 метра в секунду, приводят к эрозии агломератов.
Параллельно с экспериментами были проведены численные симуляции, которые подтвердили, что столкновения приводят к возникновению сильного электростатического заряда и притяжения между частицами. Были также определены конкретные скорости эрозии, которые оказались близки к значениям, использованным в предыдущих моделях фрагментации частиц.
Полученные результаты имеют важное значение, поскольку физические условия, созданные в экспериментах, соответствуют условиям протопланетных дисков, где материал подвергается эрозии или разрушению. Данные, полученные командой UDE, в настоящее время интегрируются в физические модели протопланетных дисков и роста частиц, что способствует углублению понимания деталей процесса формирования планет.
Изображение носит иллюстративный характер
Чтобы пролить свет на эту тайну, группа астрофизиков из Университета Дуйсбург-Эссен (UDE) под руководством профессора доктора Герхарда Вурма и приват-доцента доктора Йенса Тайзера провела серию уникальных экспериментов. Их исследования проходили в условиях суборбитального полета на борту зондирующей ракеты Европейского космического агентства (ESA).
Основная цель этих экспериментов заключалась в наблюдении за скоростью столкновений и электрическим зарядом частиц пыли, а также в изучении роста агломератов пыли. Ученые стремились глубже понять так называемый «барьер столкновений», препятствующий дальнейшему росту частиц на ранних этапах формирования планет.
Планетообразование начинается в протопланетном диске – дискообразном облаке газа (99%) и пыли (1%), окружающем молодую звезду. В этом диске микроскопические пылинки, сталкиваясь, образуют агломераты. Со временем эти агломераты, слипаясь, превращаются в более крупные тела – планетезимали, диаметр которых может достигать от 1 до 100 километров. Планетезимали, в свою очередь, гравитационно притягивая вещество, растут до протопланет, а затем и до полноценных планет, достигающих в диаметре 10 000 километров. Весь этот процесс занимает миллионы лет.
Однако на пути роста частиц существует серьезное препятствие. Согласно современным моделям, пылинки размером более одного миллиметра не должны увеличиваться дальше. При столкновении они должны либо отскакивать друг от друга, либо разрушаться, не способствуя дальнейшей аккреции. Это явление и получило название «барьер столкновений».
Одним из возможных решений проблемы барьера столкновений является электростатический заряд. Многократные столкновения приводят к тому, что пылевые частицы приобретают разный электрический заряд и начинают притягиваться друг к другу электростатически. Это притяжение может преодолеть барьер столкновений и способствовать дальнейшему росту агломератов. Ранее, адгезия, обусловленная электростатическим зарядом, уже наблюдалась в экспериментах на борту гравитационной башни.
Несмотря на ценность экспериментов в гравитационных башнях, они ограничены кратковременностью микрогравитации, которая составляет всего около девяти секунд. Этого времени недостаточно для изучения конечного размера и стабильности растущих агломератов.
Суборбитальный полет ракеты предоставил ученым уникальную возможность проводить эксперименты в условиях микрогравитации на протяжении шести минут, при достижении высоты 270 километров. При этом управление экспериментами и мониторинг их хода осуществлялись с Земли.
Результаты суборбитальных экспериментов оказались весьма показательными. Ученым удалось непосредственно наблюдать рост компактных агломератов размером до 3 сантиметров. Кроме того, была измерена максимальная скорость столкновения, при которой отдельные частицы могут сталкиваться, не разрушая агломераты. Оказалось, что агломераты стабильны при бомбардировке частицами со скоростью до 0,5 метра в секунду. Скорости, превышающие 0,5 метра в секунду, приводят к эрозии агломератов.
Параллельно с экспериментами были проведены численные симуляции, которые подтвердили, что столкновения приводят к возникновению сильного электростатического заряда и притяжения между частицами. Были также определены конкретные скорости эрозии, которые оказались близки к значениям, использованным в предыдущих моделях фрагментации частиц.
Полученные результаты имеют важное значение, поскольку физические условия, созданные в экспериментах, соответствуют условиям протопланетных дисков, где материал подвергается эрозии или разрушению. Данные, полученные командой UDE, в настоящее время интегрируются в физические модели протопланетных дисков и роста частиц, что способствует углублению понимания деталей процесса формирования планет.
