За останні 25 років вчені відкрили понад 4000 планет за межами нашої Сонячної системи. Від відносно невеликих кам’яних і водних світів до неймовірно гарячих газових гігантів – планети демонструють дивовижне розмаїття. Ця різноманітність не є несподіваною.
Складні комп’ютерні моделі, за допомогою яких вчені вивчають формування планет, також формують дуже різні планети. Але вони не пояснюють розподіл мас планет, виявлених навколо інших зірок. Більшість з них потрапили в категорію проміжних мас – планети з масою в кілька мас Землі до маси Нептуна. Навіть в контексті Сонячної системи утворення Урана і Нептуна залишається загадкою. Вчені з університетів Цюріха і Кембриджа, пов’язаних зі швейцарською NCCR PlanetS, запропонували альтернативне пояснення, підкріплене всебічним моделюванням. Їх результати опубліковані в науковому журнале Nature Astronomy.
Дві протилежні сили …
«Коли планети формуються з так званого протопланетного диска з газу і пилу, рушійним механізмом може бути гравітаційна нестабільність», – сказав Лючіо Майер, співавтор дослідження і професор обчислювальної астрофізики в Цюріхському університеті і член NCCR PlanetS. У цьому процесі пил і газ в диску злипаються під дією сили тяжіння і утворюють щільні спіральні структури. Потім вони перетворюються в планетарні будівельні блоки та, в кінцевому підсумку, в планети.
Масштаб, в якому відбувається цей процес, дуже великий – він охоплює масштаб протопланетного диска. «Але на коротших відстанях – в масштабі окремих планет – переважає інша сила: магнітні поля, що розвиваються поруч з планетами», – уточнює Майер. Ці магнітні поля збуджують газ і пил диска і таким чином впливають на формування планет. «Щоб отримати повну картину процесу формування планет, важливо не тільки змоделювати великомасштабну спіральну структуру в диску. Також необхідно враховувати дрібномасштабні магнітні поля навколо зростаючих планетних будівельних блоків», – каже науковий співробітник Кембриджського університету, Хунпін Ден.
… які важко зрозуміти одночасно
Однак відмінності в масштабі і природу гравітації і магнетизму роблять дві сили дуже складним завданням для інтеграції в одну і ту ж модель планетарного утворення. Комп’ютерне моделювання, яке добре відображає вплив однієї з сил, зазвичай погано працює з іншою. Щоб домогтися успіху, команда розробила нову техніку моделювання.
Для цього були потрібні знання в різних областях: по-перше, їм було потрібно глибоке теоретичне розуміння гравітації й магнетизму. Потім дослідники повинні були знайти спосіб перевести розуміння в код, який міг би ефективно обчислювати ці протилежні сили в унісон. Нарешті, через величезну кількість необхідних обчислень потрібен потужний комп’ютер, такий як «Piz Daint» у Швейцарському національному суперкомп’ютерному центрі (CSCS).
Вирішена загадка десятирічної давності?
Незважаючи ні на що, все склалося в потрібний час і призвело до прориву. «За допомогою нашої моделі ми змогли вперше довести, що магнітні поля заважають зростаючим планетам продовжувати накопичувати масу поза межами визначеної точки. В результаті планети-гіганти стають більш рідкісними, а планети проміжних мас, навпаки, набагато частішими – схоже на те, що ми спостерігаємо на ділі», – пояснює Хунпін Ден.
Ці результати – тільки перший крок, але вони ясно показують важливість урахування більшої кількості фізичних процесів при моделюванні формування планет.
Читайте також:
- Астрономи розкрили загадкове походження Суперземель
- Вчені запевняють, що п’ятий вимір Всесвіту існує