Может ли образоваться планета или звезда в форме пончика?

В принципе, да. На практике нет.

Вопрос изучается давно. Классическим подходом являются работы Дайсона о «якорных кольцах» 1893 года ( документ I , документ II ), но он восходит к изучению «фигур равновесия», начиная с рассуждений Ньютона о сплющенности Земли и затем продолжая рассмотрением Маклорена и Якоби. анализ вращающихся эллипсоидов вращающихся однородных самогравитирующих жидкостей ( все по теме см. в книге Чандрасекара Ellipsoidal Figures of Equilibrium 1969; краткий обзор ).

Основная история эллипсоидов заключается в том, что по мере того, как вы добавляете угловой момент, они становятся более сплющенными (эллипсоиды Маклорена), претерпевая неустойчивость за пределами критической точки, чтобы стать обычными трехосными эллипсоидами (эллипсоиды Якоби ), которые также могут содержать движения жидкости ( эллипсоиды Маклорена). Эллипсоиды Дедекинда). В конце концов угловой момент становится слишком большим, и он распадается, но Картан показал, что мода, которая растет быстрее всего, — это низкочастотная гармоника, из-за которой она просто разделяется на две части. Таким образом, вы не получите планету или звезду в форме тора.

Дайсон считал нестабильность кольца уже существующей. Он обнаружил, что для почти круглых колец:

Кольцевая форма равновесия вращающейся гравитирующей жидкости устойчива для возмущений, симметричных относительно оси, и для возмущений, изменяющих форму центральной кривой, но неустойчива для длинных бусинок возмущений. поскольку с помощью четких волн масса естественным образом разбивается на сфероидальные массы.

Аналогичные результаты, по-видимому, справедливы и для более эллипсоидальных колец.

Условием нестабильности является$R>3r$, то есть тонкие обручи неустойчивы, а очень толстые пончики могут быть устойчивыми.

С другой стороны, аккрецирующий диск может каким-то образом терять угловой момент. Могло ли это создать жидкий или твердый тор (хотя и с каким-то телом посередине)? Это проблема того, почему Сатурн сохраняет свои кольца. Тиссеран показал, что$N$спутники могли бы двигаться по одной и той же орбите, если бы$m/M < 2.3/N^3$- чем больше спутников, тем больше они склонны слипаться, если только они не очень маленькие. (Ширес и Винх, 1993) немного затяните повязку. Таким образом, если нет других сил, кроме гравитации, удерживающих вещи на месте, пылевое или газовое кольцо будет иметь тенденцию к слипанию.

С тех пор этот вопрос изучали другие, например (Wong 1974) . Они обнаружили, что в принципе похоже, что существует путь нестабильных промежуточных форм от эллипсоидов Маклорена к ториям (см. Ansorg, Kleinwächter & Meinel 2003 ), и если имеется достаточное рассеяние правильного типа , это может противодействовать расщеплению бусинок неустойчивости. Это. Но все это выглядит маловероятным, если все не будет идеально настроено.

В статье Вонга рассматриваются различные астрофизические случаи, когда возможен тор. Наиболее близкими к реальности, вероятно, являются кольцевые галактики, где звездное кольцо сохраняется в течение относительно длительного времени. Также немалый интерес представляют тороидальные облака вокруг черных дыр (с аккреционными дисками или без них), поскольку они имеют смысл в качестве моделей активных галактических ядер. Но тут давление газа и светимость от дисков усложняют дело: это далеко не кольцеобразная звезда или планета.

(Какой позор, так как мне было так весело их моделировать !)

Нет, такая конфигурация не будет стабильной. Материя имеет тенденцию слипаться, и по мере увеличения массы вращение замедляется.

Если бы вращение было слишком быстрым для материала любого заданного размера, то напряжения были бы слишком велики, чтобы он оставался связным телом. В этих случаях вы получите что-то более похожее на груду щебня . Если бы вращение каким-то образом было достаточно сильным, чтобы теоретически образовать форму пончика, я думаю, гравитационной силы материи было бы недостаточно, чтобы она объединилась в какое-либо связное тело.

Учтите, что для сохранения углового момента угловая скорость уменьшается по мере увеличения расстояния от центра вращения. То есть то, что ближе к центру, вращается быстрее, чем то, что дальше. Но для твердого тела угловой поворот одинаков на всех расстояниях от центра. Это означает, что угловая скорость (в градусах в единицу времени) одинакова на всех расстояниях, и в этом случае вещество, расположенное ближе к центру, вращается медленнее, чем вещество, находящееся дальше.

Таким образом, чтобы образовать твердое тело, вещество в центре должно замедляться по мере того, как оно срастается с материей — оно вращается медленнее, когда становится больше. Это предотвратило бы формирование пончика, потому что центростремительные силы не перевешивают силы гравитации. Жидкие тела, такие как звезды или планеты с жидкими/расплавленными ядрами, более сложны, но применима та же идея.

Рассмотрим контрпример: пояс астероидов. В целом он тороидальный, но только потому, что все компоненты вращаются вокруг солнца. Они даже не образовали бы тор, если бы не параметры их орбиты. Большие сгустки (т.е. протопланеты) могут образовываться только за счет гравитационного притяжения, которое создает прямолинейные силы притяжения (в отличие, например, от траектории свободного электрона в магнитном поле). Весь материал стягивается к общему центру.

Простой ответ: нет.

Формы, подобные бублику (эта форма называется тором), могут существовать в пространстве, но не в плотном веществе. Плотный материал становится сферическим, потому что гравитация стягивает его вместе, а сфера — это наименьший размер, который он может получить (размер зависит от того, что противостоит гравитации — турбулентность или излучение и т. д.).

Определение планеты на самом деле включает в себя сферическую форму, потому что это связано с размером и массой. Астероиды могут быть сделаны из того же материала, что и планеты, и вращаться вокруг Солнца, но одна из причин, по которой мы не называем их планетами, заключается в том, что они не имеют сферической формы.