Юпитер создал место зарождения каменистых тел в ранней Солнечной системе

Фото из открытых источников

После образования Солнца около 4,6 миллиарда лет назад вокруг него сформировался протопланетный диск. Этот вращающийся диск из газа и пыли стал местом рождения всех остальных объектов Солнечной системы. Ход событий в диске определил, где всё сформировалось, от массивных газовых гигантов, таких как Юпитер, до мельчайших астероидов.

Протопланетный диск — это сложная система. Хотя пыль является важнейшей частью диска и приводит к образованию таких тел, как планетезималы и каменистые планеты, большую часть массы, около 99%, составляет газ. В разных областях диска газ находится под разным давлением, и это давление влияет на то, где формируются объекты. Оно может создавать то, что ученые называют «пузырями давления» и «пылевыми ловушками».

Новое исследование изучает, как формировались ранние планетезималы в диске Земли в период от 2 до 4 миллионов лет после образования Солнца. Хотя сами планетезималы давно исчезли, углеродистые хондриты сохранились. Эти обломки горных пород представляют собой фрагменты планетезималов, раздробленные в результате столкновений. Некоторые из них упали на Землю в виде метеоритов, и в исследовании используются эти данные и компьютерное моделирование для понимания того, где формировались планетезималы на ранних этапах существования Солнечной системы.

Исследование было и опубликовано в The Astrophysical Journal. Ведущий автор — Нереа Гуррутхага из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка.

«Углеродистые хондриты — это образцы планетезималов, образовавшихся через 2–4 миллиона лет после начала формирования Солнечной системы», — объясняют авторы в своем исследовании. «Они состоят из различных пылевых компонентов, образовавшихся в разное время и в разных местах аккреционного диска, и их содержание в углеродистых хондритах меняется со временем формирования планетезималов».

Однако точная причина различий во времени и местах образования этих хондритов до сих пор не ясна. Углеродистые хондриты (УХ) — самые примитивные и одновременно самые разнообразные из хондритов. Существует шесть групп УХ, различающихся по составу и возрасту. Некоторые УХ почти полностью состоят из легко разрушающегося материала, в то время как другие устойчивы к разрушению. Более стабильный материал образовался на ранних стадиях формирования Солнечной системы под воздействием тепла, а затем был рассеян по всему диску.

В состав основного материала также входят богатые кальцием и алюминием включения (CAI). Они важны в данном контексте, поскольку являются самыми древними датированными твердыми веществами в Солнечной системе. Они используются для понимания хронологии Солнечной системы, поскольку были первыми твердыми веществами, сконденсировавшимися из диска после образования Солнца.

В этой работе исследователи использовали моделирование, чтобы сосредоточиться на регионе, расположенном непосредственно за Юпитером, в период от 2 до 4 миллионов лет после образования Солнца. Исследователи утверждают, что понимание того, что произошло в тот момент, повлияло на формирование планетезималов в более поздний период времени.

«Впервые нам удалось точно воспроизвести результаты лабораторных исследований метеоритов с помощью компьютерного моделирования ранней Солнечной системы. Метеориты служат, так сказать, эталоном для теорий формирования планет», — заявил директор MPS и космохимик Торстен Кляйне.

В основе этой проблемы лежит пыль. Пыль в диске не была однородной; в диске присутствовали различные пылевые компоненты, включая углерод в углеродистых хондритах. Пылевые компоненты находятся в разных частях диска и перемещаются внутри него под действием различных сил, особенно из-за давления газа и так называемых планетарных пиков давления.

«Используя двухмерное моделирование эволюции пыли методом Монте-Карло, мы показываем, что различия в фильтрации пыли и скорости доставки различных компонентов пыли к вызванному планетой пику давления в диске воспроизводят наблюдаемый состав и возраст образования углеродистых хондритов», — пишут исследователи.

Речь идёт о Юпитере. При своём формировании он вырезал огромную дыру в диске, аккрецируя материал. Сразу за орбитой Юпитера образовался «буфер давления» — кольцеобразная область, где давление газа выше. Именно здесь соотношение давления газа и пыли в диске определяет, где именно образовались каменистые тела.

В той части диска, которая находится со стороны внутренней Солнечной системы, давление газа увеличивается по мере приближения пыли к нему. На внешней стороне выступа давление газа уменьшается. Но давление газа изменяется не мгновенно, а с градиентом. Сразу за выступом градиент давления газа крутой, что заставляет газ вращаться быстрее. Сразу за выступом давление газа падает с градиентом наружу. В результате дрейфующая пыль останавливается; давление препятствует ее дальнейшему перемещению внутрь, и она оказывается в ловушке.

Так была создана пылеуловительная ловушка, и со временем в неё попадали различные смеси пыли. Ловушка более эффективна для более крупных и стабильных частиц, чем для более мелких, рыхлых. Со временем оба типа частиц улавливались в разных пропорциях. В течение первых полумиллиона лет количество рыхлого материала уменьшалось, а затем в течение следующего миллиона лет оно увеличивалось. Это привело к образованию двух популяций углеродных кластеров: первая состояла почти полностью из прочного материала, а вторая — из рыхлого.

Авторы утверждают, что последствия очевидны, когда речь идет о углеродистых хондритах.

«Это подразумевает, что углеродистые хондриты, вероятно, образовались в одной долгоживущей пылевой ловушке, скорее всего, за пределами орбиты Юпитера», — пишут они.

Существует два основных типа метеоритов: дифференцированные и недифференцированные. Хондриты недифференцированы, то есть они нетронуты и никогда не плавились. А дифференцированные — да. Это фрагменты планетезималов, которые когда-то были достаточно крупными, чтобы дифференцироваться. Это значит, что они были достаточно массивными, чтобы генерировать внутреннее тепло, которое расплавило тело. Более тяжелые элементы опустились в центр, а более легкие остались ближе к поверхности. Вот что означает дифференцированный тип.

«Поскольку дифференцированные метеориты, представляющие собой образцы более раннего поколения планетезималов, демонстрируют аналогичную изотопную изменчивость, как и хондриты, они, вероятно, также образовались в пылевых ловушках, что подразумевает, что эти структуры были основным местом образования планетезималов в Солнечной системе», — пишут авторы.

Это еще один пример мощного влияния Юпитера на Солнечную систему. Создав этот пик давления и пылевую ловушку, он определил, где и как образовались первые каменистые тела Солнечной системы.