Возникновение газовых гигантов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Физики из Южного федерального университета с помощью математического моделирования установили механизм формирования газовых гигантов на примере системы HR 8799 – звезды в созвездии Пегаса, которая находится на расстоянии 129 световых лет от Солнца. Исследование проливает свет на происхождение сложных планетарных систем, содержащих большое количество планет-гигантов. Работа ученых поддержана грантом РНФ. Статья об исследовании опубликована в журнале Astronomy&Astrophysics.

Сейчас известно две теории формирования газовых гигантов: последовательная аккреция и гравитационная неустойчивость. Схожи они только в том, что предполагают формирование протопланетного диска – скопления космической пыли и газа. Дальнейшие процессы, предшествующие формированию небесного тела, в этих теориях существенно различаются. Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются в крупные объекты. Если такой объект наберет достаточно массы, он притягивает к себе много газа и превращается в газовый гигант наподобие Юпитера, а если нет — в каменистую планету или ледяной гигант, как Земля или Уран.

Основные недостатки этой теории заключаются в том, что на больших расстояниях от звезды скорость процесса существенно замедляется и газ может рассеяться до того, как планета сформируется. Теория гравитационной неустойчивости утверждает, что газовые гиганты формируются из-за внезапного гравитационного коллапса в наиболее плотных и холодных областях протопланетного диска. На сегодняшний день многие астрономы склоняются к теории последовательной аккреции, которая, тем не менее, не объясняет все разнообразие наблюдаемых экзопланет.

Используя основные положения теории гравитационной неустойчивости и результаты астрофизических измерений, ученые НИИ физики ЮФУ провели компьютерное моделирование для системы HR 8799, содержащей четыре газовых гиганта на больших расстояниях от звезды, и выяснили механизм формирования этих планет. Система HR 8799 находится на расстоянии 129 световых лет от Земли, астрономы обратили на нее пристальное внимание в 2010 году, когда впервые получили инфракрасный спектр одной из ее планет.

Астрофизики установили, что на начальном этапе формирования газового гиганта на краю протопланетного диска образуются газопылевые сгустки. Размеры этих сгустков во много раз превосходят размеры образующихся из них впоследствии планет. Орбиты таких сгустков неустойчивы, и по мере накопления массы они начинают мигрировать к родительской звезде. Обычно это приводит к тому, что сгусток падает на звезду. Из-за этого происходит мощная вспышка светимости, подобная той, что наблюдается у молодых звезд.

Однако ученые с помощью компьютерного моделирования показали, что такая миграция может остановиться, если вещество сгустка будет истекать из его внешних слоев, приводя к ускорению вращения сгустка вокруг звезды. Исследователи также выявили еще один процесс, важный для формирования газового гиганта, – нагрев ядра сгустка в результате миграции к звезде с последующим распадом молекул водорода на атомы. Такая реакция приводит к быстрому сжатию сгустка и формированию плотного ядра протопланеты, которая затем эволюционирует в планету-гигант.

Недавно его работы были опубликованы в Astrophysical Journal.

На ранних стадиях развития, молодые звёзды окружены вращающимися газовыми дисками. Наблюдения за молодыми звёздами, у которых всё ещё есть газовые диски, показывают, что звёзды подобные Солнцу периодически подвергаются вспышкам, существуя приблизительно 1000 лет. Вспышки передают массу с диска на молодую звезду, тем самым увеличивая её яркость. Считается, что эти кратковременные вспышки массового прироста, приводятся в действие предельной гравитационной неустойчивостью в газовом диске.

Существуют различные теории о том, как вокруг протосолнца формируются газовые гигантские планеты. Одна теория предполагает, что планеты образуются из медленно растущих льда и камня, сопровождаемых быстрым приростом газа от окружающего диска. Другая теория предполагает, что сгустки плотного газа в форме спирали, увеличиваясь в массе и плотности, формируют газовую гигантскую планету.

Босс разработал подробные трёхмерные модели, которыми автор хочет показать, что независимо от того, как формируются газовые планеты, они должны были пережить периодические вспышки, перемещая массу от газового диска, на молодую звезду. Одна модель, похожая на нашу Солнечную систему, существовала больше 1000 лет, в то время, как другая модель, содержащая планеты, подобные Юпитеру и Сатурну, была устойчива более 3800 лет. Модели показали, что эти планеты смогли избежать гибели от растущего протосолнца и исчезновения из планетарной системы, после столкновения друг с другом.

Поиск планет вне Солнечной системы увенчался успехом. Учёные обнаружили около 20% звёзд, похожих на Солнце — это обнадёживающий результат, который предполагает, что наше теоретическое понимание формирования и эволюции газовых гигантских планет находится на правильном пути.

Система звезды HD GJ676A, отстоящей от Земли на 16,4 пк, располагает планетами, которые намного тяжелее, чем те, что есть в нашей Солнечной. Но при этом она воспроизводит модель последней: землеподобные небесные тела с твёрдой поверхностью - вблизи звезды, а газовые гиганты - вдали. Методы, которыми проводилось ..

Ученые из США обнаружили в атмосфере Юпитера гигантские облака и представили соответствующие изображения, а также составили подробнейшую карту (с разрешением 1,3 тысячи километров на пиксель) газовой оболочки планеты в радиодиапазоне и показали снимок Большого красного пятна. Исследование опубликовано в журнале Science.На ..

Немецкие и французские ученые описали расположение крупнейших плюмов Марса — горячих потоков мантии, направленных от ядра в сторону коры планеты. Соответствующее исследование опубликовано в Journal of Geophysical Research: Planets, кратко о нем сообщает Американский геофизический союз.Специалисты составили точнейшую, ..

Гигантские извержения заряженных частиц Солнца, называемые звездными вспышками – для Земли почти не опасны. Иногда такие частицы могут вывести из строя системы коммуникации и нарушить работу радиосвязи. Но бывают случаи, когда они могут даже радовать глаз, ..

Исследование по поиску воды на марсианской поверхности показывает, что Марс был первоначально сформирован из аналогичных блоков, что и Земля, но развивались и впоследствии по-разному. Это открытие означает, что обе планеты получили свои воды из метеоритов хондритов, хотя, на Марсе вода не прошла обработку и развитие в глубоких ..

Новое исследование подразумевает, что миллиарды звезд в нашей галактике присоединили к себе блуждающие планеты, которые когда-то странствовали по межзвездному пространству, никак не входя ни в 1 из звездных систем. Кочевые планеты, которые были выкинуты из звездных систем, в каких они сформировались, время ..

Ученые из США обнаружили два межзвездных облака, которые состоят из первоначального газа. Они состоят из элементов, которые возникли через считанные минуты после рождения Вселенной. В отличие от всей остальной материи Вселенной, эти газовые облака не смешались с другими элементами, которые возникли ..

Команда исследователей из отдела астрономии при Университете Аризоны сумели использовать наземный телескоп для получения изображений планеты за пределами нашей Солнечной системы, данные исследования будут опубликованы в одном из ближайших изданий The Astrophysical Journal. Телескоп использует в основном тот же самый тип датчика ..

Массивная далёкая планета, которая, возможно, была разорвана на два осколка, размером с Землю каждый, своей погибающей материнской звездой, заставляет нас по-новому взглянуть на развитие других миров и их звёзд - утверждают учёные. Осколки, вероятно, образовались, когда материнское тело ..

Астрономы из Уральского федерального университета с помощью телескопа сети MASTER обнаружили два новых кандидата в экзопланеты - планеты за пределами Солнечной системы, которые в случае подтверждения открытия станут первыми "российскими" экзопланетами, рассказал Владимир Липунов, руководитель проекта MASTER, ..

Земля является исключением в ряду пригодных для жизни планет в нашей галактике: их химический состав кардинально отличается от земного. К такому выводу пришли авторы статьи в журнале препринтов arXiv. Коротко об исследовании сообщает New Scientist. Вардан Адибекян (Vardan Adibekyan) из португальского ..

Команда инженеров из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене предложила проект робота Windbot для исследований газовых гигантов (Юпитера и Сатурна). Движение аппарата напоминает перемещение растения перекати-поле. Об этом сообщается на сайте НАСА. По словам ученых, исследования планет, ..

Сейчас известно две теории формирования газовых гигантов: последовательная аккреция и гравитационная неустойчивость. Схожи они только в том, что предполагают формирование протопланетного диска – скопления космической пыли и газа. Дальнейшие процессы, предшествующие формированию небесного тела, в этих теориях существенно различаются. Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются в крупные объекты. Если такой объект набирает достаточно массы, он притягивает к себе много газа и превращается в газовый гигант наподобие Юпитера, а если нет — в каменистую планету или ледяной гигант, как Земля или Уран.

Основные недостатки этой теории заключаются в том, что на больших расстояниях от звезды скорость процесса существенно замедляется и газ может рассеяться до того, как планета сформируется. Теория гравитационной неустойчивости утверждает, что газовые гиганты формируются из-за внезапного гравитационного коллапса в наиболее плотных и холодных областях протопланетного диска. На сегодняшний день многие астрономы склоняются к теории последовательной аккреции, которая тем не менее не объясняет все разнообразие наблюдаемых экзопланет.

Ученые с помощью компьютерного моделирования показали, что такая миграция может остановиться, если вещество сгустка будет истекать из его внешних слоев, приводя к ускорению вращения сгустка вокруг звезды. Исследователи также выявили еще один процесс, важный для формирования газового гиганта, – нагрев ядра сгустка в результате миграции к звезде с последующим распадом молекул водорода на атомы. Такая реакция приводит к быстрому сжатию сгустка и формированию плотного ядра протопланеты, которая затем эволюционирует в планету-гигант.

Планеты в нашей Солнечной системе делят на внутренние и внешние. Те, что расположены ближе к звезде, именуют планетами земного типа. Они наполнены силикатными минералами и металлом. Но за чертой астероидного пояса проживают их оппоненты – газовые гиганты.

Всего их четверо, и они также обладают своими отличиями. С запуском зондов нам удалось изучить их получше и узнать много интересной информации.

Определение газовых гигантов

Газовым гигантом называют планету, представленную водородом и гелием. Впервые наименование использовал Джеймс Блиш в 1952 году. Он был писателем-фантастом и этот термин не совсем соответствует реальности, потому что элементы в газовых гигантах на глубине трансформируются в жидкое или твердое состояние.

Газовые гиганты

Классификация газовых гигантов

Существует 5 разновидностей, базирующихся на схеме Дэвида Сударки.

I – аммиачные облака. Сюда входят планеты, расположенные во внешней области системы (за пределом линии льда). Это дистанция, где летучие вещества конденсируются в твердые ледяные зерна.
II – водные облака. Обладают средними температурными показателями (-23°С), поэтому слишком нагреты для создания аммиачного облачного покрова. Вода сильнее отражает, так что наделены более высоким показателем альбедо.
III – безоблачные. Температура поднимается к 80°С-530°С, поэтому лишены облачного покрова (нет достаточного количества химических веществ). Наделены низким альбедо и кажутся расплывчатыми голубыми шарами, так как метан поглощает красные длины волн.
IV – щелочные металлы. Нагреваются выше 627°С, из-за чего в атмосфере начинает доминировать монооксид углерода. Растет также количество щелочных металлов. Такие объекты именуют горячими юпитерами.
V – силикатные облака. Это наиболее раскаленные гиганты (больше 1100°С). На верхнем атмосферном слое располагаются силикатные и железные облачные формирования. Будут выглядеть красными в обзоре телескопов.

Основные факты о газовых гигантах

Юпитер стоит на первой позиции по размерам среди гигантов в Солнечной системе. Его радиус практически в 11 раз превышает земной. Он обладает 79-ю спутниками. Планета состоит изо льда и горной породы. Большая часть массы представлена жидким металлическим водородом, из-за чего формируется масштабное магнитное поле. Юпитер настолько огромен, что его можно отыскать на небе ночью без использования телескопов. Атмосферный слой наполнен аммиаком, водородом, гелием и метаном.

Строение газовых гигантов

Сатурн в 9 раз крупнее земного радиуса и отличается восхитительной кольцевой системой. Обладает 62 спутниками. Планета наполнена водородом и гелием, окружающих плотное ядро. По атмосфере схоже с Юпитером.

Уран превышает земной радиус в 4 раза. Этот объект уникален своим углом осевого наклона, из-за которого практически опрокинут на бок. К тому же вращается в обратном направлении. Содержит семейство из 27 спутников, а атмосфера – водород, метан и гелий. В 1781 году планету нашел Уильям Гершель.

Осевой наклон газовых гигантов

Нептун также по радиусу крупнее Земли в 4 раза и похож по атмосферному составу с Ураном. Рядом с ним вращаются 14 спутников. Планету обнаружили в 1846 году.

Формирование и общие черты газовых гигантов

Полагают, что с самого начала гиганты появились в виде скалистых и ледяных планет, напоминающих земной тип. Но размер ядра был огромен, что позволило притягивать больше водорода и гелия из газового облака до того, как сформировалась звезда.

Уран и Нептун расположены дальше, поэтому им было сложнее накапливать материал. Это привело к тому, что они уступают по размеру первым гигантам. Их атмосферы также сильнее загрязнены тяжелыми элементами, вроде метана и аммиака.

Ученым удалось отыскать тысячи экзопланет, среди которых огромная часть являются горячими юпитерами. Это газовые гиганты, расположенные крайне близко к своим звездам. Полагают, что изначально они образуются дальше, но потом приближаются.

Гиганты формируют вокруг себя масштабные лунные семьи. Многие появляются вместе с планетами, а другие притягиваются гравитацией. Обычно все вращаются в одной направленности с планетами. Но Тритон у Нептуна следует в противоположную сторону. Это намек на то, что он является захваченным объектом.

Текущие исследования газовых гигантов

Каждая планета наделена сложным атмосферным слоем и серией масштабных бурь. К примеру, уже 4 века на Юпитере бушует Большое Красное Пятно, которое сейчас сокращается в размерах. Мы нуждаемся в более длительных обзорах, чтобы выяснить точный характер погодных формирований.

На Сатурне сейчас завершилась миссия Кассини, а Юнона изучает Юпитер. Исследователи также настроены на поиск сейсмических волн, напоминающих земные особенности при землетрясениях.

Экзопланеты и газовые гиганты

Исследование чужих миров показало огромное количество газовых гигантов, превосходящих Юпитер во много раз. Некоторые практически достигали статуса звезды. Но они расположены крайне далеко от нас, поэтому сложно определить точное альбедо и спектры.

Большая часть гигантов представлена супер-юпитерами, потому что их просто легче отыскать. Такие объекты делятся на холодные и горячие юпитеры. Первые обогащены водородом и в 1.6 раз массивнее Юпитера.

Горячие юпитеры наделены огромным количеством водорода. Если газовые гиганты вырастают в 13-80 раз больше Юпитера, то становятся коричневыми карликами. Такие тела крупнее любой планеты, но им все равно не хватает массы для активации ядерного слияния в ядре, и они не могут стать полноценными звездами.

Коричневый карлик Т-типа

Газовые гиганты разнообразные и сложные по своей природе. В Солнечной системе проживают всего 4 таких планеты, но они предлагают богатое поле для исследований. К тому же выступают еще одним пазлом в понимании формирования нашей системы.

Супер-Земли

Среди экзопланет удалось отыскать множество супер-земель (по размеру между Землей и Нептуном). Эту разновидность не встретить на территории нашей Солнечной системы, поэтому пока еще не ясно, выглядят они скорее как гиганты или земной тип.

Сейчас научный мир ожидает запуска телескопа Джеймс Уэбб, который обещает увеличить силу поиска и откроет нам космические глубины.

Одним из главных вопросов, ответ на который долгое время ищут исследователи космического пространства, является вопрос о рождении Солнечной системы. Изучение небесных тел данной области помогает сформировать все новые и более логичные гипотезы о происхождении нашей звездной системы. Поиск разгадки подталкивает человечество к улучшению исследовательской техники, а также к расширению горизонтов понимания Вселенной.

В данной статье вы узнаете самые современные теории о рождении и формировании Солнечной системы.

Когда появилась

Самой принимаемой в научном сообществе гипотезой о том, как появилась Солнечная система, является небулярная модель. Ее основная идея заключается в том, что наша звездная система сформировалась из газопылевого облака.

Небулярную гипотезу первым сформулировал немецкий философ Кант в 1755 году. В последующем она неоднократно проверялась и улучшалась. На данный момент именно ее придерживается большинство исследователей космоса.

По гипотезе Канта, Солнце и планеты вокруг него появились из массивного водородного облака путем его сильного гравитационного сжатия. Произошло это около 4,6 млрд. лет назад. Образование самой звезды заняло около 10 миллионов лет, а на окончательное формирование остальных объектов ушло до нескольких сотен тысячелетий. В последующем возникли такие структуры, как пояс астероидов и планетарные спутники.

Этапы формирования

Разберем основные тезисы небулярной гипотезы возникновения Солнечной системы. Вначале рождается центральная звезда. Она формируется из огромного облака холодного водорода. В определенным момент водородная масса начинает быстро сжиматься под действием гравитационных сил, т.е. коллапсировать. От нее отделяются фрагменты, которые также подвергаются гравитационному коллапсу и сжимаются до размеров звезд. Эти части облака зовутся протозвездными туманностями.

Образование Солнца

Туманность начинает постепенно притягивать к себе огромные массы межзвездной пыли и газа, за счет чего начинается ее орбитальное движение. В центральной части данной области газ начинает сжиматься, образуя раскаленное ядро звезды. Постепенно коллапс туманности проходит и ускоряется вращательный момент протозвезды. Газ и пыль вокруг нее приобретают значительное ускорение.

После набором протозвезды достаточной массы путем приращения газа и материи, запускается процесс термоядерных реакций в ее ядре. Для этого масса протозвезды должна быть в 80 раз больше массы Юпитера. С момента формирования туманности до запуска в протозвезде термоядерных реакций проходит в среднем 100000 лет.

Новая звезда еще очень мала – она находится в стадии коричневого карлика. Она продолжает аккрецировать материю из туманности и постепенно в течение нескольких сотен миллионов лет превращается в звезду солнцеподобного типа.

Формирование планет внутренней группы

Планеты внутренней группы сформировались в тех областях протопланетного диска, где температура слишком высока для существования частиц льда и газа в диком состоянии. Поэтому эти объекты построены преимущественно из термоустойчивых горных пород. Планетазимали вначале быстро приращивают массу, достигая диаметра более километра. Далее крупные фрагменты притягивают к себе более мелкие, пока запас планетазималей в диске не окажется полностью исчерпан. Наступает стадия окончательного формирования Солнечной системы и приобретения ее телами определенной орбиты. Весь процесс возникновения планеты внутренней группы занял от 10 до 100 миллионов лет.

Возникновение газовых гигантов

Формирование газовых гигантов более сложный процесс. До момента образования крупных планетазималей их развитие подобно планетам земного типа. Но в их составе содержатся частицы льда, и они наращивают свою массу путем аккреции газа из протопланетного диска. Это возможно, т.к. во внешней области будущей звездной системы температуры относительно невысоки. Процесс сбора газа занимает несколько миллионов лет до истощения газовых запасов диска. Формирование газовых гигантов оказывает значительное влияние на количество твердотельных планет внутри системы. Чем раньше началось образование газовых планет, тем меньше строительного материала останется на формирование землеподобных тел.

Будущее Солнца

Наша звездная система будет сохранять относительную стабильность до истощения запасов водорода внутри солнечного ядра. Стареющее Солнце будет быстро увеличиваться в размерах и излучать все больше энергии. Через 1 млрд. лет поверхность Земли разогреется до состояния полного испарения воды мирового океана. Облака водяного пара усилят парниковый эффект, еще больше разогрев планету. Еще через 2,5 млрд. лет Земля по условиям станет схожа с современной Венерой, а вот Марс станет вполне пригоден для жизни.

Через 7 млрд. лет запасы солнечного водорода полностью закончатся, и звезда начнет выжигать водород из окружающей оболочки. Это приведет к ее разрастанию и переходу в стадию красного гиганта. Меркурий, Венера и Земля будут поглощены огромной звездой.

Солнечное ядро будет быстро набирать массу, пока в нем не запустится термоядерная реакция преобразования гелия в углерод. Эта стадия продлится еще несколько сотен миллионов лет, а после сбросит в космическое пространство огромные массы звездного вещества. Сформируется планетарная туманность. Оставшиеся небесные тела сдвинутся со своих орбит, приобретя хаотичное движение. Еще через 75 тысяч лет красный гигант полностью преобразится в белого карлика, который постепенно будет остывать и угасать. Оставшиеся вокруг планеты также будут остывать и умирать вместе с центральной звездой. По подсчетам ученых, вся эволюция Солнечной системы от рождения до смерти займет около 12,5 млрд. лет.

Перечень альтернативных теорий

Кроме небулярной гипотезы Канта есть и другие идеи о том, как появилась Солнечная система. Наиболее популярными из них являются:

Читайте также: