Планетезимали объяснили эволюцию колец у молодых звезд и появление свободных планет

Астрофизики предложили модель, объясняющую, почему кольца в обломочных дисках вокруг молодых звезд шире, чем в протопланетных дисках. Согласно работе, опубликованной на arXiv, расширение происходит из-за гравитационного рассеяния планетезималей — небольших тел, формирующих планеты.

Исследователи рассмотрели сценарий, в котором планетезимали образуются в узких радиальных ловушках пыли, а затем постепенно рассеиваются, расширяя кольцо. Эволюция ширины колец подчиняется теоретическому закону t^(1/5), где t — возраст системы. Если проследить эволюцию наблюдаемых колец назад во времени, к возрасту в несколько миллионов лет, их распределение совпадает с распределением колец в протопланетных дисках.

Авторы оценили произведение массы диска на массу отдельного планетезималя, необходимое для достижения наблюдаемой ширины колец. Этот параметр варьируется от 10^(-3) до 10^3 масс Земли в квадрате. Оказалось, что распределение величины M_disk ? m коррелирует с массой звезды: максимум приходится на звезды с массой 1,5–2 солнечных, что напоминает зависимость частоты встречаемости гигантских экзопланет от массы звезды.

Наблюдаемые обломочные кольца близки к равновесному соотношению ?r/r = 10h, ожидаемому для узкого кольца планетезималей. Это означает, что типичные обломочные диски продолжают расширяться как в радиальном, так и в вертикальном направлении.

Если кольцо достаточно массивное (около 10 масс Земли), его радиальное расширение может привести к попаданию нескольких тел размером с Меркурий в зону земных планет за 10 миллионов лет. Это делает обломочные диски вероятным источником планетезималей, нарушающих резонансные цепочки у планет, похожих на Кеплер.

На более длительных временных масштабах, порядка миллиарда лет, внешние пояса планетезималей могут выбрасывать в межзвездное пространство около 1% своей массы, если они состоят из тел размером с Луну или крупнее. Ученые полагают, что медленная эволюция массивных обломочных дисков может вносить вклад в популяцию свободно плавающих планет земного размера в межзвездной среде.

Результаты работы помогают связать процессы формирования планет с наблюдаемой структурой дисков и могут уточнить модели миграции планет и их спутников.