Что такое планетезимали и их роль в формировании планет

В протопланетном диске вокруг молодого Солнца частицы пыли сталкивались и слипались, образуя тела размером от нескольких метров до сотен километров. Эти объекты, состоящие из силикатов, металлов и льда, стали основой для более крупных структур. Гравитация ускоряла их рост: за миллионы лет они набирали массу, притягивая соседние фрагменты.

Столкновения между ними не всегда приводили к разрушению. При скоростях ниже 1 км/с фрагменты объединялись, формируя зародыши будущих миров. Например, в Поясе астероидов сохранились реликты этого процесса – Церера и Веста демонстрируют слоистую структуру, характерную для ранних стадий аккреции.

Компьютерные модели показывают: без этих тел образование твердых миров заняло бы вдесятеро больше времени. Их гравитационное влияние фокусировало орбиты окружающего вещества, создавая условия для рождения протопланет. Остатки этого механизма наблюдаются в системах коричневых карликов, где аналогичные структуры формируются за 2–3 млн лет.

Механизм появления зародышей планет из газопылевого облака

Зародыши планет возникают в протопланетном диске благодаря слипанию микроскопических частиц. При температуре ниже 1500 К пыль, состоящая из силикатов, металлов и льда, начинает объединяться под действием ван-дер-ваальсовых сил. Частицы размером 0,1–1 мкм за несколько тысяч лет формируют агломераты до 1 см.

На орбитах с низкой турбулентностью частицы размером 1–10 см оседают к средней плоскости диска. При плотности свыше 10 г/см² включается гравитационная неустойчивость Голдрайха–Уорда. За 10⁴–10⁵ лет эти скопления коллапсируют в тела диаметром 1–100 км.

Ключевые факторы роста:

• Скорость столкновений – 0,1–10 м/с для слипания без разрушения
• Состав пыли – силикатные зерна слипаются лучше металлических
• Концентрация льдов – в 3 раза повышает эффективность аккреции за орбитой снеговой линии

Компьютерные модели показывают: при оптимистичном сценарии 90% материала диска переходит в тела диаметром 10–100 км за 0,5–2 млн лет. Критическая масса для гравитационного доминирования – 10²¹ кг, после чего начинается быстрый захват окружающего вещества.

Как зародыши планет образуют металлические ядра

Крупные тела диаметром от 1 до 100 км сталкиваются на скорости 1–5 км/с, выделяя энергию, достаточную для разогрева до 2000°C. При таких условиях железо и никель плавятся, формируя капли, которые под действием гравитации опускаются к центру. Эксперименты в ударных камерах подтверждают: уже при размерах 500 км дифференциация завершается за 10⁵ лет.

Механизм аккреции металлов

Анализ метеоритов H-типа показывает: 98% тяжелых элементов концентрируется в ядре при радиусе тела свыше 300 км. Компьютерные модели демонстрируют три стадии:

1. Локальное плавление в местах ударов
2. Миграция расплавов по трещинам
3. Объединение металлических резервуаров

Доказательства из Солнечной системы

Сравнение состава Цереры и Весты выявило разницу в 40% по содержанию железа. Это подтверждает теорию: протопланетные объекты диаметром менее 800 км сохраняют гетерогенную структуру. Данные зонда Dawn указывают – полная дифференциация требует массы, превышающей 5×10²⁰ кг.