Миграция одной планеты объяснила формирование множественных колец в протопланетных дисках

Современные наблюдения с помощью ALMA показывают, что крупные протопланетные диски часто содержат несколько концентрических пылевых колец, разделённых тёмными промежутками. Наиболее естественное объяснение — захват пыли на краях щелей, которые формируют новорождённые планеты. Однако планеты обычно мигрируют внутрь быстрее, чем живёт сам диск, что противоречит наличию колец на больших расстояниях.

Международная группа исследователей решила выяснить, при каких условиях мигрирующая планета всё же способна создавать долгоживущие многокольцевые структуры вплоть до расстояния около 150 астрономических единиц. Для этого учёные провели серию гидродинамических расчётов на открытом коде FargoCPT, используя двумерные локально изотермические модели диска с одной мигрирующей планетой.

В ходе моделирования варьировались относительная толщина диска, вязкость (параметр ?) и масса планеты. Во всех рассмотренных случаях планета в итоге останавливалась в глубокой щели, которую сама же и прорезала. При этом при значении вязкости ? ? 10?? вторичные спиральные волны, возбуждаемые планетой, открывали дополнительные щели ближе к звезде.

Отдельный интерес представляет ситуация, когда планета перед остановкой превышала вдвое локальную тепловую массу. В этом случае она входила в режим чередования медленной и быстрой миграции (так называемой миграции типа III), оставляя за собой частичные щели — зародыши будущих колец. По расчётам, такие остаточные кольца быстро рассеиваются при ? = 10??, но сохраняются не менее 300–500 тысяч лет при ? ? 10??.

Края всех щелей создают локальные максимумы давления, где скапливается пыль. При низкой вязкости эти сгущения сначала имеют форму крупных вихрей, но со временем расплываются в кольца и затем постепенно исчезают. Время размывания и диссипации увеличивается с уменьшением вязкости.

Таким образом, мигрирующие планеты могут воспроизводить наблюдаемые многокольцевые структуры в дисках с ? ? 10??. Механизм включает три составляющих: остановку планеты на расстоянии до 50 астрономических единиц, вторичное открытие щелей вблизи 20 астрономических единиц и остатки миграции типа III, которые у планет массой с Юпитер достигают 150 астрономических единиц в достаточно массивных дисках. Для сравнения статистики встречаемости колец и вихрей с наблюдениями потребуются более длительные расчёты.