Почему планеты Солнечной системы превращаются в каменный газ-лед, а не в каменный лед-газ при удалении от Солнца?

Прелюдия

В настоящее время в сообществе формирования планет общепринято, что планеты формируются как побочный продукт процесса звездообразования в так называемых протопланетных дисках.
Протопланетные диски имеют первоначальную массу от нескольких до десятков процентов массы их звездных хозяев, относительно холодны (T<150K примерно в 95% или более их массы, что находится за пределами границы водяного льда для стандартной модели MMSN) и, следовательно, в основном обнаруживаются в инфракрасном диапазоне. Излучающий инфракрасный компонент представляет собой «пылевой» компонент (впервые опубликовано обнаружение и подтверждение с помощью спутника IRAS в 1984-1985 гг.), составляющий около 1% массы, остальные 99% составляют газ H/He.

Эти диски являются аккреционными дисками, т.е. они теряют угловой момент в результате различных процессов, что приводит к падению массы на родительскую звезду. Пыль оседает в средней плоскости. В случае турбулентной аккреции пыль и газ будут хорошо перемешаны и относительно равномерно аккрецируются в звезду, в то время как в случае дисковой ветровой аккреции H/He в верхних слоях диска течет по средней плоскости и обеспечивает скорость аккреции. Темпы аккреции диска могут быть слишком большими для того, что звезда может фактически аккрецировать, а избыточная масса выбрасывается вертикально в виде струй, которые могут существовать в течение всего срока службы диска. Скорость их уменьшения массы обычно соответствует 1-50 % скорости аккреции диска.
Я упоминаю линию водяного льда исключительно как точку отсчета, так как ее точное влияние на физику формирования планет активно обсуждается, в настоящее время ее невозможно наблюдать, а линии льда в некоторых других молекулах, таких как$\rm CO, CO_2, N_2,...$тоже могли играть роли.

Формирование планеты

Наша Солнечная система, весьма вероятно, возникла в одном из этих протопланетных дисков. Мы не можем проследить процесс формирования в течение жизни диска, так как это занимает от 1 до 20 миллионов лет (медианное значение 3-5 миллионов лет, в зависимости от обзора ), и, следовательно, как часто в астрофизике мы полагаемся на снимки и статистику экзопланет, чтобы попытаться разгадать загадку. вместе физика.

50% всех экзопланетных систем содержат несколько каменистых суперземель на радиусах внутри линии водяного льда. 6-10% всех звезд обладают планетами-гигантами из холодного газа (планеты-гиганты на больших полуосях> 0,5 а.е.) и 0,5-1% обладают гигантами из горячего газа (планеты-гиганты на больших полуосях <0,1 а.е.). Хотя из этого наша Солнечная система кажется необычно малой в зоне планет земной группы, тем не менее, физики, кажется, предпочитают строить каменистые планеты внутри поверхности воды и льда. Эти процессы должны происходить в фазе протопланетного диска и, возможно, вскоре после удаления газа (менее 100 млн лет, плохо ограничено, какой долей конечной массы Земля обладала при рассеянии диска).

Также считается, что скалистые планеты формируются за границей водного льда. Однако в этих областях протопланетного диска резервуар массы огромен, и каменистые планеты могут достичь неконтролируемой газовой аккреции.до того, как их родительский диск рассеется. Достижение неконтролируемой газовой аккреции состоит из двух этапов: во-первых, после того, как каменистая планета с массой в несколько земных масс сформировалась, она приобретает атмосферу, которая гидростатически связана с диском посредством его собственной гравитации. Эта атмосфера медленно охлаждается за счет охлаждения Кельвина-Гельмгольца. Сжатие позволяет большему количеству массы течь в планетарную область, образуя массивную атмосферу. Если эта атмосфера достигает массы, достаточной для того, чтобы собственная гравитация способствовала дальнейшему сжатию, планета срастается больше, чем больше она охлаждается, и она охлаждается больше, чем больше она срастается, следовательно, достигается неконтролируемая аккреция.

Архитектура Солнечной системы

При всем этом мы можем сформулировать стандартное объяснение архитектуры Солнечной системы:

Юпитер и Сатурн — стандартные холодные газовые гиганты, прошедшие фазу быстрой сборки ядра и последующей неконтролируемой газовой аккреции. Уран и Нептун выросли далеко в областях с низкой плотностью газа диска (или небольшими скоплениями пыли, увеличивающими время сборки ядра и охлаждения ) и, следовательно, застряли в фазе гидростатической газовой аккреции, пока диск не рассеялся. Таким образом, «лед» в ледяных гигантах относится к твердому компоненту, составляющему 60-80% их массы, а не к тому, что они пропустили неконтролируемую аккрецию, что сделало бы название более ясным.

Теперь другой вопрос: почему планеты с малыми радиусами избежали аккреции убегающего газа в нашей Солнечной системе и, по крайней мере, в 50% экзопланетных систем. Возможным механизмом является « газовая рециркуляция », т. е. восполнение энтропии протопланетных атмосфер, препятствующее их сжатию. Это возможно вблизи звезды, потому что газ очень плотный, заменяя охлаждение адвекцией в качестве доминирующего механизма переноса энтропии.

Подведение итогов

В общих чертах архитектуру Солнечной системы можно понять с точки зрения физических механизмов, которые, как было показано, работают в симуляциях. Однако при применении тех же механизмов для формирования синтетических популяций планет эти синтетические популяции обычно не согласуются с наблюдаемыми. Эта работа продолжается, и в будущем потребуются миссии к ледяным гигантам, чтобы измерить их детальное содержание тяжелых элементов и использовать последние, чтобы различать конкурирующие сценарии формирования, из которых я представил только один.

Таким образом, представленная здесь физика сильно отличается от простой картины «тяжелые элементы тонут в солнечном ветре», которая, насколько мне известно, никогда не рассматривалась в качестве кандидата на роль модели формирования планет. Просто Лаплас в 18 веке рассматривал похожую на вашу модель расширенной солнечной атмосферы, которая центробежно распадается на кольца для образования планет. Однако с моей прелюдией, как указано выше, эта модель теперь известна как неправильная.