Газовые и ледяные гиганты

Юпитер и Сатурн - газовые гиганты: водород и гелий составляют большую часть их массы. Они также содержат более тяжёлые элементы, распределённые внутри более сложной структуры, чем небольшое чётко очерченное твёрдое ядро под газовой оболочкой.[3]

Уран и Нептун также имеют оболочки из водорода и гелия, но в их составе преобладают более тяжёлые элементы. Астрономы традиционно называют их ледяными гигантами, поскольку вода, аммиак и метан могут входить в состав вещества, из которого они сформировались. Это название не означает, что они содержат определённую долю воды или мантию из обычного замёрзшего льда.[4]

Массы округлены по планетным параметрам NASA JPL. Это полные массы, а не измерения отдельных ядер.[1]

За пределами снеговой линии вещества местные условия позволяют ему конденсироваться в лёд. Для воды, углекислого газа и угарного газа переходы происходят при разных условиях. Их положение зависит от температуры, давления и эволюции диска, поэтому единой постоянной снеговой линии для всех летучих веществ не существует.[5]

Там, где сохраняется лёд, он увеличивает количество вещества, доступного в твёрдой форме. Дрейфующие частицы также могут перераспределять этот запас. Это может помочь растущему телу, но ни холодное местоположение, ни пересечение снеговой линии воды не гарантируют формирования газового гиганта.[5]

Планета может изменить собственное снабжение веществом

Достаточно влиятельная планета может изменить профиль давления в диске и создать максимум давления за пределами своей орбиты. Это ограничивает приток пебблов - процесс называется изоляцией пебблов. Соответствующая масса зависит от условий в диске, а мелкие частицы всё ещё могут просачиваться.[7]

Изоляция не приводит автоматически к образованию газового гиганта. Если сформировавшееся тело слишком мало или его оболочка развивается слишком медленно, оставшегося времени жизни диска может не хватить для существенного роста газовой оболочки.[7]

Гравитация планеты притягивает газ, но сжатие нагревает его. Давление затем помогает поддерживать газовую оболочку, противодействуя гравитации. Чтобы эффективно накапливать больше газа, оболочка должна терять энергию и сжиматься. Из-за этого охлаждения рост газовой оболочки поначалу может идти гораздо медленнее, чем предполагает простая картина «пылесоса».[8]

Твёрдое вещество также выделяет тепло

Падающие твёрдые частицы выделяют энергию при падении на планету. Поэтому продолжающаяся аккреция пылинок может помогать поддерживать высокую температуру оболочки. Уменьшение этого нагрева - например, при прекращении доставки пылинок - может ускорить охлаждение и накопление газа.[9]

Важна также непрозрачность, которая описывает, насколько легко излучение проходит через вещество. Оболочка, эффективно удерживающая тепло, может эволюционировать иначе, чем оболочка, легче отдающая энергию излучением. Условия в окружающем диске также влияют на результат.[8]

Собственная гравитация оболочки становится важной

По мере накопления газа его собственная гравитация может ускорять сжатие и дальнейшую аккрецию. Когда массы оболочки и ядра становятся сопоставимыми, многие модели приближаются к быстрой аккреции газа: стремительному росту, способному сформировать планету, преимущественно состоящую из водорода и гелия, пока газ остаётся доступным.[11]

Как только планета получает возможность быстро поглощать газ, решающим становится способность диска доставлять его. Газ должен проходить через окружающий диск и попадать в окрестности планеты. Рост может ограничиваться этим поступлением, а не способностью оболочки охлаждаться.[10]

Открытие зазора не прекращает все потоки

Гравитационные моменты массивной планеты могут вырезать вокруг её орбиты зазор с пониженной плотностью. Формирование глубокого зазора зависит от гравитации планеты, давления газа и переноса углового момента диском. Зазор обычно представляет собой область истощения материала, а не пустую траншею.[12]

Газ может проходить через планетный зазор и продолжать подпитывать планету или внутренний диск. Зазор изменяет доступный поток, но его открытие не задаёт единую универсальную конечную массу планеты.[10], [13]

Первоначальный резервуар в конце концов рассеивается

Аккреция на звезду и дисковые ветры удаляют газ. Время жизни дисков различается; универсального обязательного окна в 3–10 миллионов лет, общего для каждой системы, не существует. Гигант должен приобрести свою большую первичную водородно-гелиевую оболочку, пока сохраняется подходящий резервуар, хотя последующие столкновения и изменения орбиты могут продолжаться.[14]

Формирование ледяного гиганта требует тонкого баланса. Модели должны накопить значительный запас более тяжёлого материала, сохранив при этом сравнительно небольшую водородно-гелиевую оболочку. Условия, благоприятствующие эффективному росту твёрдого вещества, могут также помочь планете захватить достаточно газа, чтобы вместо этого стать газовым гигантом.[16]

Возможные сценарии учитывают различия во времени роста, нагрев от падающих твёрдых тел и количество газа, доступного по мере рассеяния диска. «Они сформировались слишком поздно» может быть одним из компонентов модели, но не установленным объяснением того, что произошло с обеими планетами.[16], [9]

Обе планеты должны вписываться в одну и ту же развивающуюся систему

В исследовании по моделированию, опубликованном в 2023 году, совместно отслеживались камешки, планетезимали и газ. Воспроизведение одновременно Урана и Нептуна зависело от начальных зародышей и истории их роста. Это показывает, почему подобрать массу одной планеты проще, чем объяснить существование обеих при согласованных условиях в диске.[17]

Миграция и гигантские столкновения также могли повлиять на их развитие. Их нынешнее расстояние не указывает на место рождения, а имеющиеся данные не подтверждают единственную определённую последовательность событий.[4]

Знакомые полосы облаков показывают лишь внешнюю оболочку. Глубоко под ними растущее давление меняет поведение вещества. В Юпитере и Сатурне водород в глубине становится плотной жидкостью и при достаточно высоком давлении проводит электричество, превращаясь в металлический водород. «Газовый гигант» не означает, что планета целиком состоит из обычного газа низкой плотности.[3]

Соотношение льда и каменных пород остаётся открытым вопросом

Современные модели внутреннего строения могут согласовать доступные измерения Урана и Нептуна как с богатым водой, так и с богатым каменными породами составом. Глубинные материалы могут существовать в виде плотных жидкостей или других фаз высокого давления. Знакомая схема с крошечным каменным ядром под толстым однородным ледяным слоем представляет собой одну из возможных моделей, а не непосредственно наблюдаемую структуру.[21]

Перемешивание вещества и эволюция означают, что нынешние области ядра не обязательно сохраняют исходное распределение твёрдого материала планеты.[3]

Изображения дисков выявляют их структуру

Изображения ALMA показывают кольца, промежутки и другие структуры в излучении пыли. Такие проекты, как DSHARP, подробно картируют эти структуры. Планета может способствовать образованию промежутка, но один лишь промежуток в пылевом диске не подтверждает наличие планеты и не является уникальным тестом механизма её формирования.[22]

Молодые планеты демонстрируют продолжающийся рост

Молодая система PDS 70 содержит две непосредственно обнаруженные протопланеты. Связанное с обеими излучение водорода свидетельствует о продолжающейся аккреции. Подобные наблюдения подтверждают, что планеты могут расти внутри дисков, и помогают проверять модели газовых потоков; сами по себе они не определяют каждый этап истории формирования.[23]

Атмосферы несут химические свидетельства

Спектры позволяют определить молекулы и содержание элементов в доступных для наблюдения областях атмосферы. Эти измерения охватывают отдельные слои; они не являются прямым измерением общего запаса тяжёлых элементов на планете. Чтобы связать их с формированием, необходимы модели аккреции, химических процессов и эволюции диска.[24]

Например, соотношение углерода и кислорода помогает сравнивать сценарии формирования. Оно не указывает на единственное исходное расстояние от звезды: разный химический состав диска, перенос вещества и история миграции могут приводить к схожему составу атмосферы.[24]

Исследования планет выявляют закономерности во множестве систем

Исследования лучевых скоростей обнаружили, что в изучаемых популяциях планеты-гиганты чаще встречаются у звёзд с более высоким содержанием металлов. Исследования, учитывающие массу звезды, подтверждают связь между доступным количеством твёрдого вещества и формированием планет-гигантов. Это статистическая тенденция, а не гарантия для отдельной звезды.[25]

Планета оказывает приливные воздействия на свой диск, а диск оказывает ответные воздействия на планету. Даже планета, открывающая щель, может мигрировать. Традиционный термин миграция типа II описывает этот режим, но движение планеты не обязательно жёстко связано с вязким движением диска внутрь.[13]

Горячие юпитеры показывают, насколько разнообразными могут быть результаты: газовые гиганты могут занимать орбиты с периодом всего в несколько дней. Среди предполагаемых сценариев происхождения - миграция через диск, последующее возбуждение вытянутой орбиты с последующим приливным уменьшением и формирование вблизи звезды. Для каждого горячего юпитера не установлен единый сценарий.[26]

Эти вопросы связывают массу и состав планеты с окружающей средой, в которой она формировалась.[2], [9], [10]