Торможение в газопылевом диске

[it]

Если бы действительно происходило глобальное перемещение планетезималей как к солнцу, так и от Солнца, состав всех планет был бы однородным, чего в реале никак не наблюдается.

А нет ли противоречия в том, что планеты земной группы содержат в большом количестве железо и силикаты, а Солнце - нет (при наличии большого количества Fe термоядерные реакции не шли бы).
Казалось бы, если более тяжёлые элементы концентрируются ближе к центру газопылевго диска, то, казалось бы, больше всего их должно быть в Солнце. Однако - нет! В центре - огромный водородный шар, затем - 4 железо-силикатных шара, и затем - ещё 4 почему-то опять газовых щара.

У меня есть некоторая гипотеза, которая, как мне представляется, может объяснить и это недоразумение, и большой момент импульса планет, и образование горячих юпитеров (а чем, кстати,
горячие юпитера отличаются от тесных двойных, о которых уже много сотен лет известно?)

Хотелось бы почитать толковый обзор по современным гипотезам образования Солнечной и иных систем.
Какие начальные условия для компьютерного моделирования задаются?

[Geen]

большой момент импульса планет

Всё никак не пойму, а с чего ему быть маленьким?

[Крупин]

большой момент импульса планет

Всё никак не пойму, а с чего ему быть маленьким?

    Совершенно верно. Нет ничего удивительного, что планеты унаследовали от протопланетного диска огромный момент импульса. Удивительно то, что Солнцу достался мизер этого момента. Солнце вращается слишком медленно для тела, сконденсировавшегося из центральной части диска. Это несоответствие явилось главной причиной отвержения гипотезы Лапласа.

    В современных вариантах медленность солнечного вращения объясняют неким магнитным сцеплением нарождающегося светила с плазменно-горячим протопланетным диском. Но это весьма сырое объяснение, не имеющее надлежащего обоснования. Есть ещё один странный момент - ось вращения Солнца наклонена к (усреднённой) плоскости планетных орбит на значительный угол в 7 градусов.

[vika vorobyeva]

Вчера по "Культуре" услышал, что "горячие юпитеры" могут образовываться далеко от звезды и мигрировать к ней из-за торможения в газопылевом диске.
...
Я не понимаю - ведь на одном и том же расстоянии от звезды и атомы газа, и частицы пыли, и юпитер движутся по орбите ровно с одной и той же скоростью.
Откуда же берётся торможение?

Во-первых, это не так. Газ и пыль в протопланетном диске движутся с РАЗНЫМИ скоростями. Это вызвано тем, что пылинка летит по кеплеровской орбите с кеплеровской же скоростью, а в уравнении равновесия газа участнует также газовое давление, и газ движется по орбите несколько медленнее кеплеровской скорости. Поэтому каждая пылинка "чувствует" встречный ветер со скоростью порядка 100-150 м/сек. Кстати, это приводит к тому, что самая мелкая пыль оказывается "вмороженной" в газ, а частицы сантиметровых размеров довольно быстро (за столетия) тормозятся, по спирали приближаются к звезде и выпадают на нее. Для крупных тел (километровых размеров и выше) влиянием встречного ветра уже можно пренебречь.
Так что горячие юпитеры оказываются на своих орбитах отнюдь не из-за торможения о газ.
Вообще, есть две гипотезы образования горячих юпитеров.
1. Миграция в протопланетном диске.
2. Планет-планетное рассеяние и последующее скругление высокоэксцентричной орбиты приливными силами.

1. Миграция в диске вызвана гравитационным взаимодействием молодой планеты-гиганта с газом и пылью. Планета-гигант своим тяготением возбуждает в диске волны плотности (что-то аналогичное можно видеть в кольцах Сатурна) и рассеивает частицы "вверх" (на более высокие орбиты) и "вниз" (на более тесные). Все расчеты и численное моделирование показывает, что "вверх" рассеивается больше материала. Таким образом, планета отдает свой момент импульса веществу диска и по закону сохранения этого самого момента понижает свою орбиту.
2. Если два уже сформировавшихся планеты-гиганта оказались на неустойчивых (на временах порядка миллионов лет) орбитах, в какой-то момент они могут сильно сблизиться и резко возмутить орбиты друг друга. В результате такого взаимного возмущения одна из планет может вообще вылететь из системы, а вторая перейти на высокоэксцентричную орбиту с низким перицентром. Например, вот такую:
http://allplanets.ru/star.php?star=HD 80606
Впоследствии приливные силы со стороны звезды скругляют такую орбиту, и она становится круговой и очень тесной.

Вообще, наблюдательные данные свидетельствуют в пользу обеих гипотез. По-видимому, горячие юпитеры образуются и так, и так.

[it]

Почему-то теоретики очень любят выражение "волны плотности".
Как будто это какая-то дополнительная к гравитации сила, которая всё и объясняет.

[vika vorobyeva]

Ну что поделать, если эти волны плотности всякий раз появляются во всех симуляциях?

Впрочем, как присходит миграция планеты, можно понять и без них. Просто оказывается, что массивная планета, внедренная в газопылевой диск, в своем движении по орбите рассеивает газ и планетезимали в основном "вверх", на более широкие орбиты, таким образом отдавая диску свой угловой момент и по спирали опускаясь к звезде.
Детали этого процесса сильно зависят от массы планеты и плотности диска, поэтому некоторые планеты сползают на очень тесные орбиты, некоторые мигрируют умеренно (до 1-2 а.е.), а некоторые остаются практически там, где появились.

[Polnoch Ксю]

Статья по теме на ленте.ру:

http://lenta.ru/news/2012/11/02/asteroidlife/

[Крупин]

Ну что поделать, если эти волны плотности всякий раз появляются во всех симуляциях?

Впрочем, как присходит миграция планеты, можно понять и без них. Просто оказывается, что массивная планета, внедренная в газопылевой диск, в своем движении по орбите рассеивает газ и планетезимали в основном "вверх", на более широкие орбиты, таким образом отдавая диску свой угловой момент и по спирали опускаясь к звезде.
Детали этого процесса сильно зависят от массы планеты и плотности диска, поэтому некоторые планеты сползают на очень тесные орбиты, некоторые мигрируют умеренно (до 1-2 а.е.), а некоторые остаются практически там, где появились.

   Одно только вот смущает. Все эти симуляции показывают эффект не до, а всегда после. А до обнаружения горячих Юпитеров, напротив, все компьютерные симуляции не показывали этих самых волн плотности.

[it]

Про газовое давление я не понял.
Разумеется, раз газ имеет температуру, то в нём существует дисперсия скоростей.
Т.е. если мысленно выделить ящик, летящий по круговой орбите с кеплеровской скоростью,
то молекулы газа будут пересекать стенки этого ящика, т.е. оказывать на него давление.
Ну и что?
Перельман в его книге "Знаете ли Вы физику" в задаче 114 "Почему существует атмосфера"
говорит, что то, что молекулы соударяются друг с другом и даже имеют различную массу,
ничего не меняет - можно считать, что одна и та же (виртуальная) молекула летит
по баллистической траектории, ни с кем не соударяясь.

Действительно, газ движется по круговым орбитам медленее пылинок (а пылинки - медленнее
масивных тел). Но причина, как мне кажется состоит совершенно в другом: в световом давлении.

У меня получилась такая формула отношения гравитационной силы к силе светового давления:
Fгр/Fсв = (16/3)*(G*M*pi*pho*c/L),
где M - масса Солнца, L - светимость Солнца, pho - плотность молекулы/пылинки.

У меня получилось, что сейчас для любого газа, даже для атомов урана, это отношение меньше
единицы. Т.е. сейчас газ в Солнечной системе не может существовать ни на каких орбитах.

Разумеется, в те времена, пока Солнце ещё не загорелось, суммарный (векторно) световой поток
от всего газопытевого диска был существенно меньше, и газ мог вращаться по круговым орбитам,
разумеется, со скоростью, меньшей чем пыль, а та - меньшей, чем массивные тела.
Разность этих скоростей, вообще говоря, могла изменяться в значительном диапазоне - а не только
в пределах 100-150 м/c.

Как пылинка может вмерзать в газ - тоже непонятно.
Ведь как только она погазит скорость, она должна перейти на более низкую орбиту.

В общем, на свой вопрос, заданный в этой теме, я бы теперь сам ответил так.
Юпитер и молекулы газа движутся по одной орбите, но с разными скоростями - газ движется
медленнее, т.к. на его движение сильное влияние оказывает световое давление.
Поэтому юпитеры могут тормозиться в газопылевом диске.

Возможна и обратная миграция - за счёт приливного ускорения, подобно тому, как Луна сейчас
удаляется от Земли. Особенно это может быть актуально, если учесть, что радиус протозвезды
мог быть гораздо больше, чем у Солнца, а вращаться она могла гораздо быстрее, чем нынешнее
Солнце.

[Dem]

Как пылинка может вмерзать в газ - тоже непонятно.
Ведь как только она погазит скорость, она должна перейти на более низкую орбиту.

дык ей газ двигаться относительно него мешает.

[Крупин]

Действительно, газ движется по круговым орбитам медленее пылинок (а пылинки - медленнее
масивных тел). Но причина, как мне кажется состоит совершенно в другом: в световом давлении.

    Световое давление, вообще, роли не играет по причине мизерности. и действие света оказывается даже обратным. Свет вовсе не отталкивает пылинки от Солнца, а напротив, вынуждает их приближаться к нему (эффект Пойнтинга-Робертсона). Но этот эффект значим лишь для очень мелких пылинок, а в период формирования системы диск должен был настолько экранировать солнечный свет, что его давление и вовсе было нулевым.

    Очень значимым фактором господа планетологи считают солнечный ветер - поток от Солнца всевозможных ионов и электронов. В родовой период он, якобы, был столь силён, что прогнал на орбиту юпитера газы и водяной пар, из-за чего, дескать, присолнечные планеты сделались железнокаменными. Однако, ожидания планетных теоретиков, что в других системах будет то же самое не оправдались.

    Насчёт пылинок как было сказано:

Как пылинка может вмерзать в газ - тоже непонятно.
Ведь как только она погазит скорость, она должна перейти на более низкую орбиту.

     Пылинка, гипотетически, "вмерзает" в газ так же, как песчинка, увлекаемая ураганом, "вмерзает" в воздушный поток. У неё больше удельная (на единицу массы) площадь поверхности, чем у гранитной глыбы. Ведь с ростом диаметра тела масса возрастает пропорционально его кубу, а площадь поверхности - лишь квадрату. Посему для крошечных частиц давление ветра сильнее гравитации.

     На движение массивных тел газ влияния не оказываети они движутся медленнее газа, которому при меньшей скорости помогает удержаться на той же орбите газовое давление (направленное от Солнца) вместа с пресловутым солнечным ветром (правда как он может пробиться через плотный диск?).

[it]

дык ей газ двигаться относительно него мешает.

как песчинка, увлекаемая ураганом, "вмерзает" в воздушный поток

У Перельмана есть тема "Почему облака не падают на Землю?".
Ответ: облака состоят из мельчайших капелек воды. Они падают, только очень медленно,
и любого восходящего потока воздуха достаточно, чтобы поднять капельку вверх.

"Вмерзнуть" в воздух капелька может только в том случае, если её плотность равна плотности воздуха
(чего быть, конечно же, не может).

Возможно, маленькая твёрдая плоская частичка и может парить в потоке воздуха, используя подъёмную
силу, подобно воздушному змею, и, поднимаясь и опускаясь, оставаясь в среднем на одной высоте.
Если только это можно назвать "вмороженностью" в воздух

Световое давление, вообще, роли не играет по причине мизерности. и действие света оказывается даже обратным.
Свет вовсе не отталкивает пылинки от Солнца, а напротив, вынуждает их приближаться к нему (эффект Пойнтинга-Робертсона).

Это очень странно, что если сила светового давления мизерна, то сила Пойтинга-Робертсона, составляющая
по порядку величины только v/c^2 долю от неё - не мизерна.

при меньшей скорости помогает удержаться на той же орбите газовое давление (направленное от Солнца)

В умных книжках пишут не про газовое давление, а про его градиент: F=dP/dr.
Мне кажется, что под умными словами скрывается обычная сила архимеда: менее плотные тела, чем газо-пылевой диск,
в нём должны "всплывать" (например, облака горячего газа, отрывающиеся от быстровращающегося Солнца), а более
плотные (планеты и пылинки) - "тонуть".
Иначе, если это не обычная архимедова сила, а какая-то таинственная "сила газового давления", то на Земле должно
наблюдаться следующее. Достаточно большая по площади и достаточно тонкая бумажка при отсутствии каких-либо
конвективных потоков воздуха, должна подниматься вверх.

[xd]

"Вмерзнуть" в воздух капелька может только в том случае, если её плотность равна плотности воздуха

Откуда это следует?

Это очень странно, что если сила светового давления мизерна, то сила Пойтинга-Робертсона, составляющая
по порядку величины только v/c^2 долю от неё - не мизерна.

А Вы возьмите и посчитайте абсолютные величины. Удивитесь.

Сила давления солнечного света, так же как и гравитация, имеет закон обратных квадратов. Таким образом для произвольной заданной частицы можно утверждать, что на неё действует суперпозиция сил с законом обратных квадратов, что эквивалентно единой силе, действующей по закону обратных квадратов. Таким образом получим поле, величина "гравитационной постоянной" которой будет зависеть от размера и массы частицы.

[Крупин]

    Световое давление, вообще, роли не играет по причине мизерности. и действие света оказывается даже обратным.
    Свет вовсе не отталкивает пылинки от Солнца, а напротив, вынуждает их приближаться к нему (эффект Пойнтинга-Робертсона).


Это очень странно, что если сила светового давления мизерна, то сила Пойтинга-Робертсона, составляющая
по порядку величины только v/c^2 долю от неё - не мизерна.

    Всё дело в том, куда сила направлена. Возьмём ракету, пассивно обращающуюся по круговой орбите. Её требуется удалить от Земли. Куда надо направить сопло? Здравомыслящий, однако не шибко грамотный, индивид скажет, что конечно же надо направить сопло на Землю. Ведь от неё надо удаляться. Но из этого как раз ничего не получится, если мощность двигателя не запредельно велика. В случае ориентации сопла на Землю произойдёт как бы некоторое ослабление гравитационной силы и ракета немного сместится на более высокую орбиту и будет кружить по ней, пока топливо не кончится. А затем вернётся на круги своя.

    Разумеется нос ракеты следует направить по ходу движения. Тогда реактивная сила будет ракету разгонять, а при возрастании скорости ракета будет подниматься на всё более высокую орбиту.

   Так же точно происходит и со световым давлением. Оно слишком мало, чтобы перевесить гравитацию Солнца и направлено перпендикулярно скорости, а стало быть работы не совершает. Пылинка в этом случае станет просто кружить по орбите, допустим на километр большего радиуса. А вот эффект Пойнтинга-Робертсона частицу тормозит. И из-за уменьшения скорости орбита частички непрерывно снижается.

 

[Крупин]

    при меньшей скорости помогает удержаться на той же орбите газовое давление (направленное от Солнца)

В умных книжках пишут не про газовое давление, а про его градиент: F=dP/dr.
Мне кажется, что под умными словами скрывается обычная сила архимеда: менее плотные тела, чем газо-пылевой диск,
в нём должны "всплывать" (например, облака горячего газа, отрывающиеся от быстровращающегося Солнца), а более
плотные (планеты и пылинки) - "тонуть".
Иначе, если это не обычная архимедова сила, а какая-то таинственная "сила газового давления", то на Земле должно
наблюдаться следующее. Достаточно большая по площади и достаточно тонкая бумажка при отсутствии каких-либо
конвективных потоков воздуха, должна подниматься вверх.

     Ну я именно это и имел в виду. это же любительский форум, а не заседание академии, чтобы бросаться чересчур учёными терминами. Конечно, элементарный объёмчик воздуха в атмосфере не падает вниз (к чему его побуждает земная гравитация) потому, что имеется ненулевой градиент сил давления. Давление снизу немного больше чем сверху. И да, это и есть та самая Архимедова сила, додусавшись до которой он по легенде побежал голым с криком "Эврика".

     Также и в стабильном протопланетном диске должна была бы установится подобная картина сил давления. Они должны были бы возрастать при приближении к Солнцу, тем самым создавая подъёмную архимедову силу, позволяющую частицам газа двигаться с несколько меньшей скоростью.

[it]

В случае ориентации сопла на Землю произойдёт как бы некоторое ослабление гравитационной силы и ракета немного сместится на более высокую орбиту и будет кружить по ней, пока топливо не кончится. А затем вернётся на круги своя.

На круги своя - это на начальную орбиту что ли?
Полный бред!!!

Также и в стабильном протопланетном диске должна была бы установится подобная картина сил давления. Они должны были бы возрастать при приближении к Солнцу, тем самым создавая подъёмную архимедову силу, позволяющую частицам газа двигаться с несколько меньшей скоростью.

Ну я и говорю - листик бумаги должен взлетать к потолку.
Градиент давления есть? Есть!
Вращение газа (вместе с Землёй вокруг её оси) есть? Есть!

Сила давления солнечного света, так же как и гравитация, имеет закон обратных квадратов.

... как и сила Пойтинга-Робертсона (она же вроде зависит от количества фотонов, попавших в частицу).
Более того, она ослабевает даже быстре, чем 1/r^2, потому что она пропорциональна скорости частицы, а чем дальше от Солнца, тем скорость частицы меньше.

[Крупин]

    В случае ориентации сопла на Землю произойдёт как бы некоторое ослабление гравитационной силы и ракета немного сместится на более высокую орбиту и будет кружить по ней, пока топливо не кончится. А затем вернётся на круги своя.

На круги своя - это на начальную орбиту что ли?
Полный бред!!!

    Ну, с такой аргументацией разговора у нас не получится.

[it]

Аргументацию я опустил, потому, что она очевидна.
Такие орбитальные манёвры во многих научно-популярных книгах изложены.
Можно потратить силы, чтобы найти подходящие цитаты из них.
Можно потратить силы и численно промоделировать Ваш пример.
Просто ответ - он как бы известен.
Не вернётся ракета на первоначальную круговую орбиту.
А перейдёт на более высокую эллиптическую.

[xd]

Очевидность - не аргументация.

[it]

Я вроде бы написал, какая имеется аргументация.
Хотите - можете проверить.
И Вы как-то не заметили, что у Крупина вообще нет никакой аргументации.