Астрономия

Физики использовали специальную исследовательскую ракету, чтобы понять, как частицы формирующихся планет удерживаются вместе, несмотря на частые столкновения. Оказалось, важнейшую роль в этом процессе играет трибоэлектричество.

В космосе наблюдают сотни рождающихся звезд, окруженных протопланетными дисками. Один из самых интересных примеров — PDS 70 в созвездии Центавра: там у молодой звезды уже появились две планеты, а в еще оставшемся кольце исходного материала прослеживаются сгустки, намекающие на предстоящее прибавление в этом космическом семействе.

Астрономы стремятся восстановить полную картину постепенного превращения газопылевого облака, окружающего звезду, в целую планетную систему и уже давно обнаружили, что этим процессом управляет не только гравитация. Притяжение начинает доминировать лишь после того, как первоначальные сгустки материи «дорастут» до достаточных размеров. А пока они совсем маленькие, при столкновениях друг с другом могут просто разлетаться в разные стороны и не собраться воедино никогда.

Более того, если даже образовался агломерат размером в несколько сантиметров, то постоянно бомбардирующая его совсем мелкая щебенка будет не только сама отскакивать, но еще и выбивать из скопления частицы. Планетологи называют это разновидностью эрозии.

Недавно исследователи из Университета Дуйсбурга — Эссена (Германия) и Шведской космической корпорации решили экспериментально выяснить, как в протопланетном диске получается, что не происходит ни отскока частиц, ни эрозии. По их — и не только их — подозрениям, помогает статическое электричество.

Чтобы это проверить, ученые решили воспроизвести определенный эпизод в истории зарождения каждой планеты и понаблюдать за тем, как он разворачивается в космосе. Этот замысел воплотили в виде многочисленного набора базальтовых шариков диаметром полмиллиметра каждый. Их поместили в специальный контейнер на борту небольшой шведской суборбитальной исследовательской ракеты MASER-15. Такие ракеты совершают короткий полет, достигают высоты примерно 250-260 километров и предоставляют пять-семь минут микрогравитации для научных задач.

Как рассказали ученые в статье для издания Nature Astronomy, искусственные аналоги протопланетных частиц во время эксперимента были электрически заряжены, причем по-разному: одна часть — сильнее, другая — слабее. После попадания в условия микрогравитации шарики получили небольшую встряску и за несколько минут, как и ожидалось, «слиплись» в небольшие агломераты. Самый крупный был примерно трехсантиметровым.

Дальше нужно было воссоздать то, что с ними происходит в реальности в протопланетном диске — подвергнуть бомбардировке окружающими маленькими частицами. Для этого окружающую среду и вместе с ней их самих подвергли нагреву, и это сразу сделало ситуацию динамичной: по достижении определенной скорости частиц началась та самая космическая эрозия. Самый маленький агломерат за несколько секунд полностью распался, а более крупные заметно уменьшились.

Но при этом обнаружилась серьезная разница между слабо и сильно заряженными скоплениями: первые легко лишались своих частиц при ударе извне, а вторые сохранялись в целости и сохранности, даже если скорость летящих на них маленьких «снарядов» в несколько раз превышала минимально необходимую для запуска разрушительной эрозии.

Таким образом ученые убедились, что планеты формируются во многом благодаря так называемому трибоэлектрическому эффекту — возникновению электрического заряда из-за трения: более тяжелые атомы в одном камне отнимают электроны у атомов другого, в результате в двух телах накапливаются противоположные заряды, а это притягивает их друг к другу.