איור של דגם המראה כיצד ענקי גזים כמו צדק, שבתאי או אורנוס יכולים גם להיווצר במהירות במערכת השמש מאבק של דיסק פרוטופלנטרי ואז להסיע אבק לאזורים מחוץ למסלולם. קרדיט: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU
חוקרים פיתחו מודל חדש להיווצרות כוכבי לכת שמראה כיצד הפרעות בדיסקות פרוטו-פלנטריות יכולות ליצור במהירות ענקי גז. תהליך זה יעיל יותר ממה שחשבו בעבר ומתיישר עם תצפיות עדכניות של ענקי גז מרוחקים.
השכונה הקוסמית המיידית שלנו היא מערכת השמש שלנו. אנחנו מכירים את זה היטב: השמש במרכז; ואז כוכבי הלכת הסלעיים מרקורי, וֵנוּסכדור הארץ ו מַאְדִים; ואחר כך חגורת האסטרואידים; ואחריהם ענקיות הגז צדק ו שַׁבְתַאִי; ואז ענקי הקרח אוּרָנוּס ו נפטון; ולבסוף חגורת קויפר עם השביטים שלה.
אבל עד כמה אנחנו באמת מכירים את הבית שלנו? תיאוריות קודמות הניחו שכוכבי לכת ענקיים נוצרים על ידי התנגשויות והצטברויות של גרמי שמים דמויי אסטרואידים, מה שנקרא פלנטזימלים, והצטברות גז לאחר מכן במהלך מיליוני שנים. עם זאת, מודלים אלה אינם מסבירים לא את קיומם של ענקי גז הממוקמים רחוק מהכוכבים שלהם ולא את היווצרותם של אורנוס ונפטון.
מודל חדשני להיווצרות כוכבי הלכת
אסטרופיזיקאים מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן של מינכן (LMU), אשכול ORIGINS ומכון מקס פלנק לחקר מערכת השמש (MPS) פיתחו את המודל הראשון אי פעם המשלב את כל התהליכים הפיזיקליים הדרושים שמשחקים תפקיד בהיווצרות כוכבי לכת. באמצעות מודל זה, הם הראו שהפרעות טבעתיות בדיסקות פרוטו-פלנטריות, מה שנקרא תשתיות, יכולות לעורר היווצרות מהירה של ענקיות גז מרובות. תוצאות המחקר תואמות את התצפיות האחרונות ומצביעות על כך שהיווצרותם של כוכבי לכת ענקיים יכולה להתרחש בצורה יעילה ומהירה יותר ממה שחשבו בעבר.
"כאשר כוכב לכת נעשה מספיק גדול כדי להשפיע על דיסק הגז, זה מוביל להעשרה מחודשת של אבק רחוק יותר בדיסק. תוך כדי כך, כוכב הלכת דוחף את האבק – כמו כלב רועים שרודף אחרי העדר שלו – לאזור שמחוץ למסלול שלו".
— פרופ' טיל בירנסטיל
הצטברות אבק דינמית וצמיחת פלנטה
בעזרת המודל שלהם, החוקרים מדגימים כיצד חלקיקי אבק בגודל מילימטר מצטברים בצורה אווירודינמית בדיסק הגז הסוער, וכיצד ההפרעה הראשונית הזו בדיסק לוכדת אבק ומונעת ממנו להיעלם לכיוון הכוכב. הצטברות זו הופכת את הצמיחה של כוכבי לכת ליעילה מאוד, שכן לפתע הרבה "חומר בנייה" זמין בתוך שטח קומפקטי והתנאים הנכונים להיווצרות כוכבי לכת קיימים.
טיל בירנשטיאל. קרדיט: Jan Greune / LMU
"כאשר כוכב לכת הופך גדול מספיק כדי להשפיע על דיסקית הגז, זה מוביל להעשרת אבק מחודשת רחוק יותר בדיסק", מסביר טיל בירנשטיאל, פרופסור לאסטרופיזיקה תיאורטית ב-LMU וחבר באשכול המצוינות של ORIGINS. "בתהליך, כוכב הלכת דוחף את האבק – כמו כלב רועים שרודף אחרי העדר שלו – לתוך האזור שמחוץ למסלול שלו." התהליך מתחיל מחדש, מבפנים אל חוץ, וכוכב לכת ענק נוסף יכול להיווצר. "זו הפעם הראשונה בה סימולציה מתחקה אחר התהליך שבו אבק דק גדל לכוכבי לכת ענקיים", מבחין טומי צ'י הו לאו, המחבר הראשי של המחקר ומועמד לדוקטורט ב-LMU.
השלכות על היווצרות ענקי גז
במערכת השמש שלנו, ענקי הגז ממוקמים במרחק של כ-5 יחידות אסטרונומיות (au) (צדק) עד 30 אאו (נפטון) מהשמש. לשם השוואה, כדור הארץ נמצא במרחק של כ-150 מיליון קילומטרים מהשמש, שזה שווה ערך ל-1 au.
המחקר מראה שבמערכות פלנטריות אחרות, הפרעה יכולה להניע את התהליך למרחקים גדולים בהרבה ועדיין להתרחש במהירות רבה. מערכות כאלה נצפו לעתים קרובות בשנים האחרונות על ידי אלמא מצפה רדיו, שמצא ענקי גז בדיסקים צעירים במרחק מעבר ל-200 au. עם זאת, המודל גם מסביר מדוע מערכת השמש שלנו הפסיקה ככל הנראה ליצור כוכבי לכת נוספים לאחר נפטון: חומר הבנייה פשוט נוצל.
תוצאות המחקר תואמות את התצפיות הנוכחיות של מערכות פלנטריות צעירות שיש להן תשתיות מובהקות בדיסקות שלהן. תשתיות אלה ממלאות תפקיד מכריע בהיווצרות כוכבי לכת. המחקר מצביע על כך שהיווצרותם של כוכבי לכת ענקיים וענקי גזים מתרחשת ביעילות ובמהירות גבוהה יותר ממה שהניחו בעבר. תובנות חדשות אלו יכולות לחדד את ההבנה שלנו לגבי מקורם והתפתחותם של כוכבי הלכת הענקיים במערכת השמש שלנו ולהסביר את מגוון המערכות הפלנטריות הנצפות.
