Протопланета — это не маленькая готовая планета, а один из этапов долгого строительства планетной системы. Всё начинается с молодой звезды, окружённой диском газа и пыли. За несколько миллионов лет часть твёрдого вещества в этом диске проходит путь от микроскопических зёрен до тел в сотни и тысячи километров, которые уже собственной гравитацией перестраивают окружающее пространство. Такие крупные зародыши обычно и называют протопланетами или планетными эмбрионами.
Красивый школьный рисунок часто показывает процесс как простое «пылинки слиплись — получилась планета». В реальности самое сложное как раз спрятано между этими масштабами. Маленьким частицам нужно не только столкнуться, но и пережить разрушение, отскок, торможение газом и падение к звезде. Современные модели предлагают несколько механизмов, которые вместе позволяют веществу преодолеть эти барьеры.
Сначала появляется протопланетный диск
Звезда рождается при гравитационном сжатии холодного молекулярного облака. Падающее вещество обладает угловым моментом, поэтому не всё может сразу попасть на будущую звезду: вокруг неё формируется вращающийся уплощённый диск. В нём остаются газ, силикатная и углеродистая пыль, металлы и, в холодных областях, различные льды.
Диск не одинаков по всей ширине. Ближе к звезде горячее, дальше — холоднее; плотность газа и пыли тоже меняется. Особенно важна снеговая линия — область, за которой температура достаточно низкая, чтобы вода существовала на частицах преимущественно в виде льда. Ледяное покрытие увеличивает количество твёрдого материала и меняет условия роста. NASA и ALMA уже наблюдали снеговые линии в молодых системах, а Webb обнаруживал ожидаемый перенос водяного пара при дрейфе ледяных частиц из внешних областей диска внутрь.
Как пыль превращается в планетезимали
На самых малых масштабах зёрна сталкиваются и могут удерживаться электростатическими и поверхностными силами. Возникают пористые агрегаты, затем миллиметровые и сантиметровые частицы — «галька». Но дальше рост перестаёт быть гарантированным. При слишком быстром столкновении агрегат разрушается; при других условиях тела просто отскакивают. Газ дополнительно тормозит твёрдые частицы и заставляет их дрейфовать к звезде.
Один из важнейших современных сценариев — потоковая неустойчивость. Если в определённой области накапливается достаточно твёрдых частиц, их коллективное взаимодействие с газом может создавать плотные сгустки. Когда сгусток становится достаточно массивным, собственная гравитация сжимает его в планетезималь — тело километрового или более крупного масштаба. Так природа может перескочить через часть опасного диапазона, где простое последовательное слипание работает плохо.
После появления планетезималей гравитация начинает играть всё более заметную роль. Крупное тело сильнее фокусирует пролетающее вещество и растёт быстрее мелких соседей — стадия ускоренного, или runaway, роста. Позже несколько наиболее крупных эмбрионов начинают контролировать свои окрестности и переходят к более медленному олигархическому росту.
Когда появляется протопланета
Строгой универсальной границы между «большой планетезималью» и протопланетой нет. Обычно протопланетами называют тела, уже ставшие крупными планетными эмбрионами: они имеют заметную гравитацию, сталкиваются друг с другом, очищают или возбуждают свои орбитальные зоны и способны менять архитектуру системы.
Во внутренней горячей части диска твёрдого вещества относительно мало и оно в основном каменистое. Здесь формируются зародыши землеподобных планет. Дальше за снеговой линией доступно больше льда и твёрдой массы, поэтому ядра могут расти быстрее. Если массивное ядро успевает сформироваться до исчезновения газа из диска, оно способно захватить большую газовую оболочку и стать гигантом. Если газ уже рассеялся, остаётся каменно-ледяное тело.
Рост идёт не только через редкие гигантские столкновения. В модели pebble accretion протопланета эффективно собирает множество небольших частиц, движение которых тормозит газ. Этот механизм может значительно ускорять формирование массивных ядер и сейчас активно проверяется наблюдениями молодых дисков.
Почему будущая планета не обязана остаться там, где родилась
Протопланета взаимодействует с газовым диском гравитационно и может мигрировать — постепенно менять орбиту. Несколько растущих тел также возмущают друг друга. Когда газ исчезает, система иногда переживает позднюю динамическую перестройку: орбиты становятся нестабильными, эмбрионы сталкиваются, выбрасывают соседей или объединяются.
Считается, что именно гигантские столкновения сыграли большую роль в финальном формировании планет земной группы. Гипотеза происхождения Луны, например, связывает её с ударом крупного планетного эмбриона по молодой Земле; предполагаемому объекту дали имя Тея. Этой теме посвящена отдельная статья о планете Тея.
Мы не можем перемотать историю Солнечной системы и посмотреть её напрямую, зато наблюдаем множество молодых звёзд на разных стадиях. ALMA видит кольца, промежутки и асимметрии в пылевых дисках; Webb исследует молекулы, лёд и водяной пар. Некоторые структуры действительно могут быть следами уже формирующихся планет, хотя не каждый разрыв в диске автоматически означает протопланету.
Поэтому протопланета — это удобное имя для переходного состояния, а не один чёткий момент рождения планеты. Планетное строительство начинается задолго до неё с микроскопической пыли и продолжается после неё: столкновениями, аккрецией, миграцией и динамической «уборкой» системы. Общую картину этого процесса можно продолжить в статье о формировании планетных систем.
