КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-12-01168

НазваниеЭволюция газопылевых околозвездных дисков на начальных стадиях формирования планет

РуководительВоробьев Эдуард Игоревич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые словапротозвездные и протопланетные диски, газопылевые диски, звездообразование, ранние стадии образования планет

Код ГРНТИ41.25.02


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Околозвездные газопылевые диски играют важную роль в астрофизике, являясь колыбелью и строительным материалом при формировании планет. Наблюдения на современных наземных и космических телескопах, способных заглянуть в самые недра газопылевых дисков, приводят к открытию все большего числа планет вне Солнечной системы, стимулируя разработку все более усовершенствованных теоретических и численных моделей для объяснения их разнообразных и порой неожиданных свойств. Несмотря на существенные усилия, точного понимания механизма образования планет до сих пор не существует в основном из-за сложности вовлеченных физических процессов и цепочек обратной связи, для изучения которого необходимы разработка специальных численных методов. Данный проект направлен на комплексное изучение свойств газопылевых околозвездных дисков на начальных стадиях формирования планет с использованием высокоэффективного численного моделирования и наблюдений на передовых телескопах. По масштабу охватываемых физических явлений и поставленных задач, начиная от влияния пылевой компоненты на гравитационную неустойчивость, включая механизмы роста пылевых частиц в плотных газовых конденсациях, вихрях и мертвых зонах, и заканчивая влиянием внешней среды на эволюцию дисков и прямым сравнением моделей с наблюдениями, данный проект удовлетворяет самым строгим требованиям к современным исследованиям. Предложенный в данном проекте комплекс теоретических и наблюдательных исследований газопылевых дисков, в котором результаты численного моделирования структуры газопылевых дисков будут непосредственно сверяться с результатами наблюдений на крупнейших мировых телескопах, является инновационным и весьма перспективным подходом к исследованиям в современной астрофизике. Данный проект будет стимулировать подачи новых заявок на наблюдения на передовых мировых телескопах, позволит укрепить сотрудничество российских учебных заведений с ведущими зарубежными университетами, и повысит престиж российской науки в целом.

Ожидаемые результаты
Исследование околозвездных газопылевых дисков играет ключевую роль в понимании того, как образуются планеты. Благодаря высоким технологиям и современным телескопам количество обнаруженных планет вне Солнечной системы (экзопланеты) исчисляется тысячами, включая экзопланеты, по своим физическим характеристикам похожие на Землю. Разнообразие свойств и характеристик обнаруженных экзопланет подразумевает их сложное взаимодействие со средой, в которой они образуются и эволюционируют, что в свою очередь требует построения усовершенствованных теоретических моделей, способных проследить эволюцию планет с самых начальных этапов формирования родительских околозвездных дисков. Проект направлен на комплексное изучение свойств газопылевых околозвездных дисков на начальных стадиях формирования планет с использованием высокоэффективного численного моделирования и наблюдательных данных, полученных на крупнейших мировых телескопах. Выполнение поставленных в проекте задач впервые позволит ответить на целый ряд открытых вопросов теории образования планет. В частности, проект позволит определить роль гравитационной неустойчивости и фрагментации протозвездного диска на ранних этапах формирования планет, изучить эффективность концентрации и роста пылевых частиц в таких структурах диска, как спиральные рукава, мертвые зоны, вихри и плотные газовые концентрации. К важной стороне проекта можно отнести стремление участников развить комплексный подход к изучению феномена газопылевых дисков, включающий симбиоз высокоэффективных численных методов, разрабатываемыми участниками проекта, и наблюдений на передовых мировых телескопах совместно с зарубежными партнерами (ALMA, SMA, SUBARU, JVLA). Проект особенно своевременен в связи с ожидаемым запуском космической обсерватории "Миллиметрон", способной существенно расширить возможности российской астрономии. Таким образом, по масштабу охватываемых физических явлений и поставленных задач данный проект удовлетворяет самым строгим требованиям к современным исследованиям, отлично вписывается в современные тенденции мировой астрофизики и может быть использован в качестве теоретического сопровождения перспективных наблюдательных проектов. Кроме того, данный проект позволит укрепить сотрудничество российских институтов с ведущими зарубежными университетами, что повысит престиж российской науки в целом. Разрабатываемые руководителем и участниками проекта программные комплексы по изучению околозвездных дисков уже находят применение в российских (ЧелГУ) и зарубежных учреждениях (University of Western Ontario, Canada). Широкие научные связи руководителя и участников проекта среди ученых в России и за рубежом устные выступления на российских и международных конференциях, а также семинарах в российских и зарубежных научных организациях также способствуют признанию научных результатов, привлечению новых идей и в конечном счете успешному выполнению проекта. Наконец, изучение околозвездных газопылевых дисков вызывает огромный интерес у широкой публики, привлекаемой знаковыми изображениями околозвездных дисков (например, HL Tau), полученными на ведущих мировых телескопах. Данный проект уделит особое внимание популяризации научных результатов. У руководителя проекта имеется опыт сотрудничества с федеральными и мировыми СМИ, в том числе с новостным порталом lenta.ru и научно-популярным журналом New Scientist. Планируются регулярные выпуски университетских пресс-релизов и выступление с публичными лекциями в Российских и зарубежных университетах. Разносторонность плана исследований делает проект легко адаптируемым к текущему уровню знаний, постоянно пополняемому новыми наблюдательными данными с крупнейших мировых телескопов. Это позволит научному коллективу в перспективе всесторонне исследовать процессы динамики газа и пыли в околозвездных дисках и занять лидирующие позиции в данной области знаний.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Поиски истоков нашего происхождения неизбежно приводят к вопросу о том, как образуются звезды и планеты. Эта область исследований современной астрофизики значительно более разнообразна, чем кажется на первый взгляд. Звездообразование придает форму целым галактикам, управляет жизненным циклом материи и лежит у космологических истоков формирования видимой структуры Вселенной. Более того, звездообразование неразрывно связано с образованием планет и, следовательно, с нашим собственным происхождением. Обнаружение все большего числа планет вне Солнечной системы (экзопланеты), включая объекты, по своим физическим характеристикам похожие на Землю, вселяет в нас надежду, что мы можем быть не одиноки во Вселенной. Усилия астрофизиков и астробиологов сейчас сконцентрированы на поиске экзопланет, пригодных для зарождения и поддержания жизни. Однако для решения фундаментального вопроса происхождения жизни требуется прежде всего решить другой, не менее важный вопрос о том, как возникли первые условия для зарождения жизни – звезды и планеты. Данный проект направлен на решение этой проблемы, а именно на комплексное изучение свойств газопылевых околозвездных дисков, как колыбели и строительного материала при формировании планет, с использованием высокоэффективного численного моделирования и наблюдений на передовых телескопах. В течение первого года выполнения проекта был разработан высокоэффективный программный комплекс FEOSAD (Formation and Evolution of Stars and Disks), позволяющий самосогласованно рассчитывать формирование и эволюцию звезд и околозвездных газопылевых дисков. Взаимодействие газовой и пылевой подсистем диска осуществлялось за счет общего гравитационного потенциала и трения пылевых частиц о газ. Эволюция пылевых частиц в околозвездных дисках как начальная стадия формирования планет характеризуется двумя процессами: 1) дрейфом пылинок относительно газа (преимущественно к центральной звезде) 2) их столкновительной эволюцией – слипанием и фрагментацией. Именно благодаря преобладанию слипания мелких пылевых частиц над фрагментацией в конечном счете и образуются твердые планетарные ядра. В данном проекте исследованы начальные стадии образования планет в гравитационно неустойчивых околозвездных дисках, характеризующихся ярко выраженной спиральной структурой. Особое внимание было уделено исследованию эффективности роста пыли, радиальному дрейфу и концентрации пыли в спиральных рукавах. Было найдено, что рост пыли происходит уже на самой ранней стадии эволюции газопылевого диска, причем рост наиболее эффективен во внутренних областях диска, где пылинки могут вырастать от субмикронного до метрового размера за несколько сот тысяч лет. При этом масса выросшей пыли в диске достигает десятков и даже сотен масс Земли, что, совместно с ярко выраженным дрейфом выросшей пыли к центру диска, может способствовать ускоренному образованию твердых протопланетных ядер в центральных областях диска. Найдено также, что пыль может концентрироваться в спиральных рукавах, но данный процесс наиболее эффективен во внешних областях диска. Одним из возможных механизмов образования массивных планет-гигантов (до 15 масс Юпитера) является гравитационная фрагментация газопылевого диска с образованием плотных газовых сгустков – эмбрионов планет-гигантов. В данном проекте детально исследована динамика и миграция газовых сгустков. Показано, что в результате гравитационных возмущений массивные газовые сгустки (десятки масс Юпитера), образовавшиеся во внешних областях диска (порядка сотен астрономических единиц от центральной звезды) часто подвержены быстрой радиальной миграции ближе к центру диска. Миграция некоторых сгустков может замедляться или даже останавливаться на расстоянии нескольких десятков астрономических единиц от звезды благодаря потере значительной части внешней оболочки сгустков через приливные моменты сил. Образующиеся таким образом плотные, компактные и горячие ядра могут испытывать последующее сжатие до планетарных размеров с образованием массивных планет-гигантов. Данный механизм может объяснить наличие планет-гигантов у такой планетарной системы как HR 8799. Звезды и околозвездные диски не являются изолированными объектами. Они формируются внутри протяженных газовых облаков и образуют тесные скопления. Таким образом, взаимодействие околозвездных дисков со внешней средой посредством гравитации и излучения является важным фактором их эволюции. В данном проекте был исследован эффект сближения внешней звезды и гравитационно неустойчивого околозвездного диска. Найдено, что близкий копланарный пролет внешней звезды солнечной массы может приводить к выбросу газовых сгустков и даже целых элементов спиральных рукавов, сформировавшихся ранее в диске звезды-мишени. Массы выброшенных сгустков обычно соответствуют коричневым карликам, то есть объектам, занимающим промежуточное состояние между планетами-гигантами и звездами, но могут приближаться к массивным планетам-гигантам (порядка 15 масс Юпитера), если выброшенные элементы спирального рукава испытывают гравитационную фрагментацию. Известно, что в околозвездных дисках при определенных условиях могут формироваться гигантские антициклонные вихри. Являясь локальными максимумами давления, данные вихри обладают свойством притягивать пылевые частицы диска, способствуя таким образом ускоренному росту твердых протопланетных ядер. Однако эффективность концентрации пыли зависит от времени жизни вихрей, которое, до сих пор оценивалось из численного моделирования без учета самогравитации диска. В данном проекте исследована динамика антициклонных вихрей на внешней границе так называемой мертвой зоны (то есть зоны с пониженной эффективностью переноса вещества). Найдено, что самогравитация диска приводит к растяжению антициклонного вихря вдоль направления вращения диска даже в заведомо гравитационно устойчивых околозвездных дисках. Таким образом, найдено, что самогравитирующие вихри разрушаются значительно быстрее, чем вихри без учета самогравитации, что может ослабить эффективность концентрации пылевых частиц в антициклонных вихрях и усложнить образование твердых протопланетных ядер. По результатам первого года выполнения проекта опубликована статья в международном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (импакт-фактор: 4.961), принята к публикации статья в международном журнале Astronomy & Astrophysics (импакт-фактор: 5.185), а также представлена к публикации статья в международный журнал Astronomy & Astrophysics (импакт-фактор: 5.185).

 

Публикации

1. Воробьев Э. И., Штайнрюк М., Элбакян В. Г., Гюдель М. Formation of freely floating sub-stellar objects via close encounters Astronomy & Astrophysics, - (год публикации - 2017).

2. Регали Ж., Воробьев Э. И. Vortex stretching in self-gravitating protoplanetary discs Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 471, 2204-2215 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Обнаружение все большего числа планетарных систем вокруг ближайших звезд (так называемые экзопланеты), с характеристиками, кардинально отличающимися от Солнечной системы, выдвигает на первый план вопрос о причинах существования наблюдаемого многообразия экзопланетных систем. Планеты формируются в газопылевых дисках, окружающих звезды на их начальных стадиях формирования, и естественно предположить, что многообразие экзопланетных систем является результатом различных физических условий и процессов в газопылевых дисках. Но какие конкретно процессы определяют формирование планетарной системы до сих пор плохо изучено. Данный проект направлен на комплексное изучение свойств газопылевых околозвездных дисков, как колыбели и строительного материала при формировании планет. В проекте задействовано высокоэффективное численное моделирование с использованием разработанного программного комплекса FEOSAD (Formation and Evolution of Stars and Disks), а также наблюдений на передовых наземных телескопах. Фундаментальным условием формирования планет является эффективный рост твердых пылевых частиц в околозвездном диске от суб-микронного до километрового размера в результате взаимных столкновений. Данный процесс крайне сложен, поскольку столкновения могут приводить как к слипанию (коагуляции) частиц, так и к их разрушению, если скорости столкновений слишком большие. В течение второго года выполнения проекта была разработана бидисперсная модель коагуляции и фрагментации пылевых частиц в условиях протопланетных дисков. Данная модель позволяет отслеживать типичный размер крупной пыли, являющейся результатом слипания мелких пылинок (мономеров) межзвездных размеров, а также обмен массами между мелкой и крупной пылью. Найдено, что детальный учет фрагментации крупных частиц при совместных соударениях и эрозии мелкими пылинками является важным фактором, способствующим удержанию выросшей пыли в дисках и предотвращению катастрофического дрейфа на протозвезду. Наблюдательные данные и теоретические модели эволюции молодых звездных объектов указывают на то, что аккреция вещества из протозвездного диска на протозвезду может характеризоваться мощными вспышками с продолжительностью в несколько десятков лет, в течение которых светимость звезды может возрастать на несколько порядков величины. Выполненные в данном проекте поляриметрические исследования околозвездных дисков в ближнем инфракрасном диапазоне (телескоп Subaru) показали наличие разнообразных морфологических структур (спиральные рукава, кометообразные клочкообразные структуры), характерных для гравитационно неустойчивых дисков, что хорошо согласуется с теоретической моделью, предложенной ранее руководителем проекта. Основываясь на важности феномена вспышек светимости выполнено сравнение характерных времен конденсации ледяных мантий на пылинки и характерного времени коагуляции пылинок в околозвездном диске. Показано, что их отношение мало, т.е. крупные пылевые агрегаты в отсутствии вспышек светимости представляют собой слипшиеся своими ледяными мантиями мелкие пылевые частицы. Во время вспышки светимости должно происходить разрушение таких крупных пылевых агрегатов на мелкие тугоплавкие частицы и их последующая коагуляция, но уже без ледяных мантий. Переход звезды в спокойное, довспышечное состояние приведет к образованию тугоплавкого ядра, покрытого с наружи ледяной коркой. Численное исследование эволюции внутренних областей околозвездного диска (меньше одной астрономической единицы) является трудноразрешимой задачей в моделях глобальной эволюции диска из-за жесткого ограничения на шаг по времени. Чтобы обойти данное ограничение в данном проекте разработана модель «умной» центральной поглощающей ячейки, описывающая переноса вещества через внутреннюю область диска на протозвезду. Данная модель использована совместно с кодом FEOSAD для исследования влияния центральной, пространственно неразрешенной области диска на глобальную эволюцию газовой и пылевой компонент. Найдено, что центральная область оказывает наибольшее влияние на структуру и эволюцию протозвездного диска в моделях с развитой магниторотационной неустойчивостью. В данном случае, глобальное распределение газа и пыли в околозвездном диске, гравитационная устойчивость диска, а также темп протозвездной аккреции, существенно зависит от темпа переноса вещества через центральную область. Для околозвездных дисков часто характерна жесткая связь между газовой и пылевой компонентами, то есть время релаксации скорости пыли к скорости газа много меньше характерного динамического времени задачи, определяемой локальным временем оборота диска. Это предъявляет высокие требования к методам расчета динамики пыли. В рамках проекта был выполнен анализ описанных в литературе методов расчета быстрого обмена импульсом между газом и пылью для эйлерова подхода, в котором газ и пыль рассматриваются как взаимопроникающие сплошные среды, а пыль имеет единственный характерный размер, то есть считается монодисперсной. Был разработан неявный метод первого порядка по времени с точным сохранением импульса. Показано, что предложенный неявный метод может быть распространен на режим, когда пыль представлена несколькими компонентами с разными временами скоростной релаксации. Для такой полидисперсной пыли, в которой каждая из компонент обменивается импульсом с газом, но не между собой, выведены расчетные формулы для вычисления скоростей газа и пыли, а также получены оценки устойчивости алгоритма. Ранняя эволюция околозвездных дисков может сопровождаться явлением, известным как гравитационная неустойчивость и фрагментация, приводящая к развитию спиральных рукавов и образованию массивных газопылевых сгустков, представляющих собой зародыши планет-гигантов. Однако орбиты данных образований не являются устойчивыми - сгустки достаточно быстро мигрируют по направлению к родительской протозвезде. В данном проекте показано, что быстрая миграция сгустков к центральной протозвезде может быть остановлена на расстояниях десятков астрономических единиц от звезды в результате потери массы сгустком через область Роша. При этом миграция приводит к разогреванию сгустка. При превышении температуры газа в центральной области сгустка критического значения в 1700 градусов Цельсия может произойти быстрое сжатие сгустка (так называемый второй коллапс), приводящее к образованию протопланеты-гиганта. Предположено, что данные процесс может в конечном итоге приводить к образованию систем, подобных HR 8799 с несколькими планетами-гигантами на расстояниях около десятков астрономических единиц от звезды. Дальнейшие исследования внутренней структуры газопылевых сгустков показали, что масса пыли, накопленной в центральной области сгустка, в момент второго коллапса может достигать нескольких десятков масс Земли. Часть этой пылевой компоненты в результате коллапса может образовать твердое ядро в центральной части образовавшейся протопланеты-гиганта. Более подробную информацию о данном исследовании можно найти по следующим ссылкам https://www.gazeta.ru/science/news/2018/10/25/n_12209023.shtml, https://indicator.ru/news/2018/10/25/kak-formiruyutsya-gazovye-giganty/ Проведено исследование возможности восстановления распределений температуры, оптической толщины и спектрального индекса коэффициента поглощения в околозвездном диске по картам теплового излучения пыли на нескольких длинах волн. Эта обратная задача имеет важное значение для непосредственной интерпретации наблюдений протопланетных дисков и стимулирует и наблюдения дисков в различных диапазонах волн. Показано, что успешное решение данной обратной задачи возможно только при корректном восстановлении полного потока излучения на каждой длине волны, что требует сопровождения интерферометрических наблюдений наблюдениями в режиме одиночного телескопа. По результатам второго года выполнения проекта опубликовано девять статей, в том числе четыре статьи в международных журналах первого квартиля, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.

 

Публикации

1. - Ученые Южного федерального университета выяснили механизм появления газовых гигантов ТАСС, - (год публикации - ).

2. - Российские ученые выяснили, как формируются газовые гиганты ГАЗЕТА.РУ, - (год публикации - ).

3. - Прояснен процесс формирования газовых гигантов ИНДИКАТОР.РУ, - (год публикации - ).

4. Акимкин В. В. Бидисперсная модель коагуляции фрактальной пыли Сборник научных трудов ИНАСАН, том. 1, стр. 290-295 (год публикации - 2018).

5. Воробьев Э. И., Акимкин В., Стояновская О. П., Павлюченков Я. Н., Лиу Х. Б. Early evolution of viscous and self-gravitating circumstellar disks with a dust component Astronomy & Astrophysics, Том 914, стр. 98-117 (год публикации - 2018).

6. Воробьев Э. И., Элбакян Э. И. Gravitational fragmentation and formation of giant protoplanets on orbits of tens of au Astronomy & Astrophysics, том 618, страницы 7-22 (год публикации - 2018).

7. Донг Р., Лиу, С.-У., Айснер Ж., Эндрюс С., Фунг Ж., Жу Ж., Чианг Е., Хашимото, Ж., Лиу Х. Б., Касассус С., Эспозито Т., Хасегава У., Муто Т., Павлюченков Я., Винтер Д., Акиямя Е., Тамура М., Виснивски Ж. The Eccentric Cavity, Triple Rings, Two-armed Spirals, and Double Clumps of the MWC 758 Disk The Astrophysical Journal, Том 860, стр. 124-137 (год публикации - 2018).

8. Павлюченков Я. Н. О динамическом влиянии пыли на газ при рассмотрении эволюции протопланетного диска Сборник научных трудов ИНАСАН, том 1, стр. 340-345 (год публикации - 2018).

9. Стояновская О. П., Акимкин В. В., Воробьев Э И., Глушко Т. А., Павлюченков Я. Н., Снытников В. Н., Снытников Н. В. Development and application of fast methods for computing momentum transfer between gas and dust in supercomputer simulation of planet formation Journal of Physics: Conference Series, том 1103, выпуск 1, article id. 012008 (год публикации - 2018).

10. Стояновская О. П., Акимкин В. В., Воробьев Э. И., Глушко, Т. А., Павлюченков Я. Н., Снытников В. Н., Снытников Н. В. Разработка и применение алгоритмов для расчета быстрого обмена импульсом между газом и твердыми частицами в суперкомпьютерном моделировании образования планет Сборник трудов конференции ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ (ПАВТ'2018), - (год публикации - 2018).

11. Стояновская О. П., Воробьев Э. И., Снытников В. Н. Analysis of Numerical Algorithms for Computing Rapid Momentum Transfers between the Gas and Dust in Simulations of Circumstellar Disks Astronomy Reports, Том 62, вып. 7, стр. 455–468. (год публикации - 2018).

12. Таками М., Фу Г., Лиу Х. Б., Карр, Ж. Л., Хашимото Ж., Кудо Т., Воробьев Э. И., Кошпал А., Скиклуна П., Донг Р., Тамура М., T.-S., Пуо Т.-С., Фукагава М., Тсурибе Т., Данхэм М. М., Хеннинг Т., де Леон Ж. Near-infrared High-resolution Imaging Polarimetry of FU Ori-type Objects: Toward a Unified Scheme for Low-mass Protostellar Evolution The Astrophysical Journal, том 864, стр. 20-35 (год публикации - 2018).