Складні комп’ютерні моделі, за допомогою яких вчені вивчають формування планет, показують дуже різні варіанти можливих світів. Складніше пояснити видимий розподіл мас планет, виявлених навколо інших зірок. Більшість з них потрапили в категорію проміжних мас – планет з масою від 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.
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 – світи демонструють дивовижну різноманітність і воно несподівано.
«Коли планети утворюються з так званого протопланетного диска з газу і пилу, рушійним механізмом може бути гравітаційна нестабільність. 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», – говорить Лючіо Майер, професор обчислювальної астрофізики в Цюріхському університеті і член NCCR PlanetS
Масштаб, в якому відбувається цей процес, дуже великий – він охоплює весь протопланетний диск. Але на коротших відстанях – в масштабі окремих планет – переважає інша сила: магнітні поля, що розвиваються поруч з планетами. Вони збуджують газ і пил диска і таким чином впливають на формування планет. Щоб отримати повне уявлення про цей процес, важливо не тільки змоделювати великомасштабну спіральну структуру в диску. Також повинні бути включені дрібномасштабні магнітні поля навколо зростаючих планетних будівельних блоків.
Однак відмінності в масштабі і природі гравітації та магнетизму роблять дві сили дуже складним завданням для інтеграції в одну і ту ж модель планетарного утворення. Поки комп’ютерне моделювання, яке добре відображало дію однієї з сил, зазвичай погано працювало 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 був потужний комп’ютер.
За допомогою цієї моделі вчені змогли вперше показати, що магнітні поля заважають зростаючим планетам продовжувати накопичувати масу понад визначену точку. В результаті, планети-гіганти стають більш рідкісними, а планети проміжних мас – набагато більш частими.
Ці результати – тільки перший крок, але вони ясно показують важливість урахування більшої кількості фізичних процесів при моделюванні формування планет. Це дослідження допомагає зрозуміти потенційні шляхи до утворення планет проміжної маси, які дуже поширені в нашій галактиці. Це також допомагає нам зрозуміти протопланетні диски в цілому.
Натхнення: hightech.fm