Микрофизика пылевых частиц на ранних стадиях формирования планет

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10029

НазваниеМикрофизика пылевых частиц на ранних стадиях формирования планет

Руководитель Акимкин Виталий Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые слова звездообразование, планетообразование, протопланетные диски, космическая пыль

Код ГРНТИ41.25.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Газопылевые диски вокруг молодых звезд являются колыбелью и строительным материалом для формирования планет. Недавние наблюдения на ведущих мировых телескопах показали, что газопылевые протопланетные диски не являются однородными образованиями, а характеризуются присутствием таких пространственно неоднородных структур как кольца, дуги и спирали. Данные особенности могут указывать как на рост и пространственную аккумуляцию пылевых частиц на самых начальных стадиях планетообразования, так и уже на присутствие сформировавшихся планет. Несмотря на существенные усилия, точного понимания механизма формирования пространственных структур в протопланетных дисках до сих пор не существует из-за многообразия вовлеченных физических процессов и цепочек обратной связи, для изучения которых необходимы разработка специальных численных методов. Таким образом, объяснение природы подструктур диска является актуальной задачей, стимулирующей разработку передовых численных моделей для исследования процессов формирования планет как в Солнечной системе, так и за ее пределами. В рамках данного проекта запланировано хемодинамическое моделирование протопланетных дисков с учетом ряда процессов с твердым веществом, которые ранее не были рассмотрены в глобальных динамических моделях, но могут играть ключевое значение на ранних стадиях формирования планет. К этим процессам относится коагуляция заряженных пылинок, а также параллельная столкновительная и химическая эволюция тугоплавкой и летучей компонент пылинок. Пылевые частицы контролирует тепловую структуру диска, а их коагуляция и дрейф запускают формирование крупных тел и, в конечном счете, планет. Важной целью проекта также является качественное сравнение наблюдаемых структур с полученными теоретическими предсказаниями по глобальной морфологии газового и пылевого дисков, в том числе формирующихся структур на ранней гравитационно неустойчивой фазе эволюции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Павлюченков Я.Н., Акимкин В.В., Топчиева А.П., Воробьев Э.И. Влияние испарения пыли и тепловой неустойчивости на распределение температуры в протопланетном диске Astronomy Reports, Астрономический журнал, Том 100, Номер 5, 2023, стр. 427-440 (год публикации - 2023)
10.31857/S0004629923050080

2. Акимкин В., Ивлев А.В., Каселли П., Гонг М., Силсби К. Coagulation-Fragmentation Equilibrium for Charged Dust: Abundance of Submicron Grains Increases Dramatically in Protoplanetary Disks The Astrophysical Journal, Volume 953, Issue 1, id.72 (год публикации - 2023)
10.3847/1538-4357/ace2c5

3. Лаунхардт Р., Павлюченков Я.Н., Акимкин В.В., Дютре А., Гюс Ф., Желото С., Хеннинг Т., Питу В., Шрайер К., Семенов Д., Штеклум Б., Бурке Т.Л. A resolved rotating disk wind from a young T Tauri star in the Bok globule CB 26 Astronomy & Astrophysics, Volume 678, id.A135 (год публикации - 2023)
10.1051/0004-6361/202347483

4. Курбатов Е.П., Павлюченков Я.Н. Turbulent convection in protoplanetary discs and its role in angular momentum transfer Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, pp. 5843–5855 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stad3420

5. Топчиева А., Молярова Т., Акимкин В., Максимова Л., Воробьев Э. Ices on pebbles in protoplanetary discs Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 530, Issue 3, pp.2731-2748 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae597

6. Павлюченков Я.Н., Акимкин В.В. Моделирование тепловой структуры протопланетного диска с помощью мультидиапазонного диффузионного приближения с ограничителем потока Astronomy Reports (Астрономический журнал), №9, том 102, с. 745-762 (год публикации - 2025)
10.31857/S0004629925090012

7. Молярова Т.С., Воробьев Э.И., Акимкин В.В. C/O ratios in self-gravitating protoplanetary discs with dust evolution Publications of the Astronomical Society of Australia, Volume 42, Article Number e004 (год публикации - 2025)
10.1017/pasa.2024.126

8. Павлюченков Я.Н. Details of Modelling the Non-Stationary Thermal Structure of an Axially Symmetric Protoplanetary Disk Astronomy Reports (Астрономический Журнал), Astronomy Reports, Vol. 68, No. 11, pp. 1045–1056 (год публикации - 2024)
10.1134/S106377292470094X

9. Топчиева А.П., Молярова Т.С., Воробьев Э.И. Влияние вспышек светимости на содержание гальки и ледяных мантий в протопланетном диске Astronomy Reports (Астрономический журнал), №8, том 102, стр. 653-670 (год публикации - 2025)
10.31857/S0004629925080028

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На основе глобального гидродинамического моделирования протопланетных дисков с коагуляцией заряженной пыли построены радиальные профили излучения в пылевом континууме в миллиметровом диапазоне длин волн. Сравнение с синтетическими интенсивностями в моделях с идентичными начальными условиями, но при пренебрежении эффектами зарядки пыли, показало, что заряд пыли подавляет появление кольцевых структур на ранних стадиях эволюции диска (<0.5 млн лет). Такие кольцевые структуры часто наблюдаются у молодых звездных объектов класса II, находящихся на более продвинутой стадии эволюции (> 1 млн лет), но существенно реже у более молодых объектов класса I и почти никогда у объектов класса 0. Наблюдаемый дефицит колец на ALMA изображениях молодых протопланетных дисков может говорить о действии электростатического барьера, препятствующего появлению макроскопических частиц в диске и их последующей аккумуляции в кольцах. Для анализа тепловой структуры диска в вертикальном направлении, влияющей на наблюдаемые характеристики диска, разработан и программно реализован метод расчета температуры пыли в меридиональной плоскости в диффузионном приближении с ограничителем потока и несколькими спектральными каналами (mFLDs). Соотношение элементов, в частности отношение углерода к кислороду (C/O), рассматривается как ключевой параметр, связывающий состав атмосфер экзопланет с условиями их формирования и химической структурой протопланетного диска. С помощью кода FEOSAD с химическим модулем были рассчитаны значения C/O в газовой и ледяной фазах, а также в целом по диску на протяжении 500 тысяч лет его эволюции. Это позволило определить области, где формирующиеся планеты могут накапливать вещество с определённым химическим составом, что в дальнейшем определит характеристики их атмосфер. Полученные в модели соотношения C/O были сопоставлены с наблюдаемыми значениями для двух типов экзопланет гигантов. Показано, что узкий диапазон и повышенное по сравнению со звёздным значение C/O у планет, обнаруженных прямым методом, согласуется с гипотезой их формирования в сценарии гравитационной неустойчивости. В то же время транзитные горячие юпитеры, демонстрирующие широкий разброс значений C/O, могли образоваться различными путями, а их химический состав, вероятно, изменялся в ходе миграции по областям диска, обогащённым либо кислородом, либо углеродом. Для гравитационно-неустойчивого протопланетного диска, смоделированного в ходе численных гидродинамических расчётов, были согласованно получены синтетические карты наблюдений в линии CO J=2-1 и пылевом континууме. Показано, что характерные особенности в картах скоростных каналов, часто ассоциируемых с возмущениями, вызванными присутствием планет, могут возникать вследствие развития гравитационной неустойчивости. Произведена оценка детектируемости таких особенностей для модельных дисков. Разработан численный модуль формирования планетезималей, основанный на развитии потоковой неустойчивости в гравитационно неустойчивом протопланетном диске, и интегрирован в гидродинамический код FEOSAD. Проведены расчёты эволюции диска с учетом и без учета формирования планетезималей при различных сценариях, соответствующих современным моделям. Показано, что во внутренних областях диска реализуются условия для эффективного формирования планетезималей вне зависимости от конкретного выбора параметра развития потоковой неустойчивости. Формирование планетезималей существенно влияет на распределение пыли, но слабо изменяет газовую компоненту и максимальные размеры пылинок. При подавленной турбулентности масса сформировавшихся планетезималей может достигать 200 масс Земли. Увеличение фрагментационной скорости способствует росту массы планетезималей, тогда как усиление турбулентности снижает эффективность их образования. Также проведено моделирование влияния вспышек светимости на эволюцию гальки и ледяных мантий в протопланетных дисках. Установлено, что вспышки приводят к испарению льдов и уменьшению массы гальки в 2 раза, при этом восстановление происходит за несколько тысяч лет.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Заряженная пыль - одна из ключевых угроз для долгосрочных миссий на Луне и Марсе. Без эффективных методов очистки и защиты она может сократить срок службы космических аппаратов и создать риски для здоровья космонавтов. Поэтому изучение ее свойств в схожих условиях имеет потенциал в задачах, стоящих перед космической отраслью РФ. Объяснение истории возникновения планет, в том числе Земли, а также жизни во Вселенной и Солнечной системе также является одной из основных общественно значимых задач, стоящих перед астрофизикой. Результаты проекта могут быть использованы при изучении астероидов, комет и межпланетной пыли, которые представляют собой вещество, сохранившееся с самых ранних стадий формирования Солнечной системы. Теоретическое описание структуры протосолнечного диска важно для формирования научных задач в области исследования объектов Солнечной системы, что служит мотивацией для развития космической отрасли.