Номер 4, страница 259 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 70. Образование Солнечной системы. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 4, страница 259.

4. Поясните механизм образования планетезимали.

Решение

Планетезимали — это твёрдые космические тела, «зародыши» планет, размером от одного до нескольких сотен километров. Их формирование является ключевым этапом в образовании планетных систем и происходит в несколько стадий внутри протопланетного диска, вращающегося вокруг молодой звезды.

1. Коагуляция пыли.

Изначально протопланетный диск состоит из газа и микроскопических пылинок (силикаты, металлы, частицы льда). Эти пылинки сталкиваются друг с другом из-за разницы в орбитальных скоростях и броуновского движения. Благодаря электростатическим силам и силам Ван-дер-Ваальса они слипаются при столкновениях. Этот процесс, называемый коагуляцией, приводит к постепенному росту частиц от микронных размеров до сантиметровых. Такие частицы называют «галькой» (pebbles).

2. «Метровый барьер».

По мере роста до размеров от нескольких сантиметров до метра тела сталкиваются с серьёзной проблемой. Газ в диске вращается медленнее твёрдых тел, поскольку он поддерживается градиентом давления. В результате на тела действует газовое сопротивление («встречный ветер»), которое тормозит их и заставляет терять орбитальную энергию. Это приводит к тому, что они по спирали очень быстро (за сотни или тысячи лет) падают на звезду, не успевая вырасти до более крупных размеров.

3. Механизмы преодоления барьера и формирования планетезималей.

Для объяснения того, как «галька» быстро объединяется в километровые планетезимали, минуя стадию медленного роста и падения на звезду, существуют несколько ведущих теорий:

• Потоковая неустойчивость (Streaming Instability). Это наиболее признанный механизм. Он заключается в том, что «галька» и газ в диске взаимодействуют друг с другом, что приводит к самоорганизации частиц в плотные группы или волокна. В этих скоплениях коллективное сопротивление газа снижается, что позволяет им двигаться как единое целое и избегать быстрого падения на звезду. Более быстрые одиночные частицы догоняют эти скопления и присоединяются к ним, увеличивая их плотность. Когда плотность сгустка достигает критического значения, он коллапсирует под действием собственной гравитации, образуя крупную планетезималь (размером 10-100 км).

• Гравитационная неустойчивость. Твёрдые частицы оседают к центральной плоскости диска, формируя очень тонкий и плотный пылевой слой. Если этот слой становится достаточно плотным, он может стать гравитационно неустойчивым и распасться на множество сгустков, которые затем сжимаются в планетезимали. Однако турбулентность газа в диске часто препятствует образованию такого плотного слоя.

• Концентрация в «ловушках давления». В протопланетном диске существуют неоднородности, например, вихри или границы ледяных линий, где создаются зоны повышенного давления. Дрейфующие к звезде частицы попадают в эти «ловушки» и накапливаются там. Когда концентрация вещества в ловушке становится достаточно высокой, может запуститься гравитационный коллапс, ведущий к формированию планетезимали.

Как только образуются тела размером более 1 км, их собственная гравитация становится доминирующей силой. Они начинают эффективно притягивать окружающую «гальку» и другие, более мелкие планетезимали, продолжая расти и превращаясь в протопланеты.

Ответ: Планетезимали образуются в протопланетном диске из микроскопических пылинок, которые сначала слипаются в более крупные частицы («гальку») благодаря негравитационным силам. Для преодоления «метрового барьера» (быстрого падения на звезду) эти частицы концентрируются в плотные скопления, в основном, за счёт механизма потоковой неустойчивости или в «ловушках давления». Эти сверхплотные скопления затем быстро коллапсируют под действием собственной гравитации, формируя тела километровых размеров — планетезимали.