จานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิด

จานก่อนดาวเคราะห์ (Protoplanetary disk)คือจานหมุนรอบดาวฤกษ์ที่ประกอบด้วยก๊าซและฝุ่นหนาแน่น ล้อมรอบ ดาวฤกษ์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ ซึ่งได้แก่ ดาวฤกษ์ประเภท T Tauriหรือดาวฤกษ์ประเภท Herbig Ae/Be จานก่อนดาวเคราะห์นี้ไม่ควรนับว่าเป็นจานสะสมมวล (Accretion disk ) แม้ว่าทั้งสองจะคล้ายกัน แต่จานสะสมมวลนั้นร้อนกว่าและหมุนเร็วกว่ามาก โดยจะสะสมสสารเข้าสู่แกนกลาง นอกจากนี้ยังพบได้ในหลุมดำไม่ใช่เฉพาะในดาวฤกษ์เท่านั้น กระบวนการนี้ไม่ควรสับสนกับกระบวนการสะสมมวลที่เชื่อกันว่าสร้างดาวเคราะห์ขึ้นมาเอง จานก่อนดาวเคราะห์ที่ระเหยด้วยแสงจากภายนอกเรียกว่าโพรพลิด (Proplyds )
การก่อตัว


ดาวฤกษ์แรกเริ่มก่อตัวจากเมฆโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนโมเลกุล เป็นหลัก เมื่อส่วนหนึ่งของเมฆโมเลกุลมีขนาดมวลหรือความหนาแน่นถึงระดับวิกฤต มันจะเริ่มยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วง ของตัวเอง เมื่อเมฆที่ยุบตัวนี้ ซึ่งเรียกว่าเนบิวลาสุริยะมีความหนาแน่นมากขึ้น การเคลื่อนที่ของก๊าซแบบสุ่มที่มีอยู่เดิมในเมฆจะเฉลี่ยกันไปในทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมสุทธิของเนบิวลาการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมทำให้การหมุนเพิ่มขึ้นเมื่อรัศมีของเนบิวลาลดลง การหมุนนี้ทำให้เมฆแผ่ราบออกไป—คล้ายกับการทำพิซซ่าแบนๆ จากแป้ง—และมีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความเร่งสู่ศูนย์กลางจากการเคลื่อนที่ในวงโคจรต้านทานแรงดึงดูดของดาวฤกษ์เฉพาะในทิศทางรัศมีเท่านั้น แต่เมฆยังคงสามารถยุบตัวได้ในทิศทางแกน ผลลัพธ์คือการก่อตัวของแผ่นดิสก์บางๆ ที่ได้รับการสนับสนุนจากแรงดันก๊าซในทิศทางแกน[ 5 ]การยุบตัวครั้งแรกใช้เวลานานกว่า 100,000 ปี หลังจากนั้น อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์จะสูงขึ้นจนใกล้เคียงกับดาวฤกษ์ในลำดับหลักที่มีมวลเท่ากัน และจะสามารถมองเห็นได้
ปัจจุบันเป็นดาวฤกษ์ T Tauri การสะสมของก๊าซบนดาวฤกษ์ยังคงดำเนินต่อไปอีก 10 ล้านปี[ 6 ] ก่อนที่จานจะหายไป อาจถูกพัดพาไปโดย ลมดาวฤกษ์ของดาวฤกษ์อายุน้อยหรืออาจเป็นเพราะหยุดปล่อยรังสีหลังจากการสะสมสิ้นสุดลง จานโปรโตแพลนเทเรียที่เก่าแก่ที่สุดที่ค้นพบมีอายุ 25 ล้านปี[ 7 ] [ 8 ]

จานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิดรอบดาวฤกษ์ T Tauri แตกต่างจากจานที่ล้อมรอบองค์ประกอบหลักของระบบดาวคู่ใกล้ชิดในแง่ของขนาดและอุณหภูมิ จานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิดมีรัศมีสูงสุดถึง 1000 หน่วยดาราศาสตร์และมีเพียงส่วนในสุดเท่านั้นที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1000 เคลวินและมักพบร่วมกับลำแสงพุ่งออกมา
มีการสังเกตพบจานโปรโตแพลนเทอรัลรอบดาวฤกษ์อายุน้อยหลายดวงในกาแล็กซีของเรา การสังเกตการณ์โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลแสดงให้เห็นว่าโปรพลิดและจานดาวเคราะห์กำลังก่อตัวขึ้นภายในเนบิวลาโอไรออน[ 10 ] [ 11 ]
เชื่อกันว่าจานโปรโตแพลนเนอรัลเป็นโครงสร้างบางๆ โดยมีความสูงในแนวตั้งโดยทั่วไปน้อยกว่ารัศมีมาก และมีมวลโดยทั่วไปน้อยกว่าดาวฤกษ์อายุน้อยตรงกลางมาก[ 12 ]
มวลของจานโปรโตแพลนทารีทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยก๊าซ อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของอนุภาคฝุ่นมีบทบาทสำคัญในการวิวัฒนาการ อนุภาคฝุ่นจะปกป้องระนาบกลางของจานจากรังสีพลังงานสูงจากอวกาศภายนอก ทำให้เกิดโซนที่ไม่มีการทำงาน ซึ่งความไม่เสถียรของการหมุนด้วยสนามแม่เหล็ก (MRI) จะไม่ทำงานอีกต่อไป[ 13 ] [ 14 ]
เชื่อกันว่าจานเหล่านี้ประกอบด้วยชั้นพลาสมาที่ปั่นป่วนซึ่งเรียกอีกอย่างว่าโซนแอคทีฟ ซึ่งห่อหุ้มบริเวณกว้างของก๊าซที่สงบนิ่งซึ่งเรียกว่าโซนตาย[ 14 ]โซนตายที่อยู่ตรงระนาบกลางสามารถชะลอการไหลของสสารผ่านจาน ซึ่งทำให้ไม่สามารถบรรลุสภาวะคงที่ได้
ระบบดาวเคราะห์

สมมติฐานเนบิวลาของการก่อตัวของระบบสุริยะอธิบายว่าจานโปรโตแพลเนตารีเชื่อกันว่าจะวิวัฒนาการไปเป็นระบบดาวเคราะห์ได้อย่างไร ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสถิตและแรงโน้มถ่วงอาจทำให้ฝุ่นและเม็ดน้ำแข็งในจานรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์น้อยกระบวนการนี้แข่งขันกับลมดาวฤกษ์ซึ่งขับไล่ก๊าซออกจากระบบ และแรงโน้มถ่วง ( การสะสม ) และความเครียดภายใน ( ความหนืด ) ซึ่งดึงวัสดุเข้าสู่ดาวฤกษ์ T Tauri ตรงกลาง ดาวเคราะห์น้อยเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของทั้งดาวเคราะห์ภาคพื้นดินและดาวเคราะห์ยักษ์[ 16 ] [ 17 ]

เชื่อกันว่า ดวงจันทร์บางดวงของดาวพฤหัสบดีดาวเสาร์และดาวยูเรนัสก่อตัวขึ้นจากจานดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่อยู่รอบดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นแบบจำลองของจานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิด[ 18 ] [ 19 ] การก่อตัวของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ในจานที่มีรูปทรงเรขาคณิตบางและอุดมไปด้วยก๊าซและฝุ่น เป็นเหตุผลที่ทำให้ดาวเคราะห์เรียงตัวอยู่ในระนาบสุริยวิถีหลายสิบล้านปีหลังจากการก่อตัวของระบบสุริยะ บริเวณไม่กี่ AU ภายในของระบบสุริยะน่าจะมีวัตถุขนาดเท่าดวงจันทร์ถึงดาวอังคารหลายสิบดวงที่กำลังรวมตัวและควบแน่นกลายเป็นดาวเคราะห์ภาคพื้นดินที่เราเห็นในปัจจุบัน ดวงจันทร์ของโลกน่าจะก่อตัวขึ้นหลังจากดาวเคราะห์ก่อนกำเนิดขนาดเท่าดาวอังคารพุ่งชนโลกก่อนกำเนิดในแนวเฉียงประมาณ 30 ล้านปีหลังจากการก่อตัวของระบบสุริยะ
ดิสก์เศษซาก
มีการค้นพบจานฝุ่นรอบดาวฤกษ์ที่มีก๊าซน้อยอยู่รอบดาวฤกษ์ใกล้เคียงหลายดวง ซึ่งส่วนใหญ่มีอายุอยู่ในช่วงประมาณ 10 ล้านปี (เช่นเบตา พิกทอริส , 51 โอฟิอุคิ ) ถึงหลายพันล้านปี (เช่นเทา เซติ ) ระบบเหล่านี้มักถูกเรียกว่า " จานเศษฝุ่น " เนื่องจากอายุของดาวฤกษ์เหล่านี้ค่อนข้างเก่า และอายุขัยที่สั้นของอนุภาคฝุ่นขนาดไมโครเมตรที่อยู่รอบดาวฤกษ์อันเนื่องมาจากแรงต้านของพอยน์ติง-โรเบิร์ตสันการชน และแรงดันรังสี (โดยทั่วไปประมาณหลายร้อยถึงหลายพันปี) จึงเชื่อว่าฝุ่นนี้มาจากการชนกันของดาวเคราะห์น้อย (เช่นดาวเคราะห์น้อยดาวหาง)ดังนั้นจานเศษฝุ่นรอบดาวฤกษ์เหล่านี้ (เช่นเวกา , อัลเฟคกา , โฟมัลฮอตเป็นต้น) จึงไม่ใช่ "ดาวเคราะห์ก่อนเกิด" แต่แสดงถึงขั้นตอนต่อมาของการวิวัฒนาการของจาน ซึ่งเป็นบริเวณที่คล้ายกับแถบดาวเคราะห์น้อยและแถบไคเปอร์ นอก ระบบสุริยะ ที่เกิดการชนกันระหว่างดาวเคราะห์น้อยและดาวฤกษ์อื่นๆ จนก่อให้เกิดฝุ่น
ความสัมพันธ์กับการกำเนิดสิ่งมีชีวิต
จากการศึกษาแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ล่าสุด โมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นต่อชีวิตอาจก่อตัวขึ้นในจานฝุ่น รอบ ดวงอาทิตย์ก่อนการก่อตัวของโลก[ 20 ] จากการศึกษาด้วยคอมพิวเตอร์ กระบวนการเดียวกันนี้อาจเกิดขึ้นรอบดาวฤกษ์ดวงอื่น ๆ ที่มีดาวเคราะห์โคจรรอบด้วย[ 20 ] (ดูเพิ่มเติมที่โมเลกุลอินทรีย์นอกโลก )
แกลเลอรี่
- ภาพประกอบแสดงพลวัตของโพรพิลด์
- จานโปรโตแพลนเทเรียล 20 จานที่บันทึกโดยโครงการความละเอียดเชิงมุมสูง (DSHARP) [ 21 ]
- นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบขั้นตอนแรกของการก่อตัวของดาวเคราะห์โดยการสังเกตจานโปรโตแพลนเนอรัลที่มีฝุ่น[ 25 ]
- วงแหวนศูนย์กลางรอบดาวฤกษ์อายุน้อยHD 141569Aซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 370 ปีแสง[ 26 ]
- ตรวจพบ จานเศษซากใน ภาพ HSTของดาวฤกษ์อายุน้อยHD 141943และHD 191089 - ภาพด้านบน; เรขาคณิตด้านล่าง[ 27 ]
- ภาพจำลองของจานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิด
- วัตถุบินลึกลับในเนบิวลาโอไรออน
- วิดีโอแสดงให้เห็นวิวัฒนาการของแผ่นดิสก์โดยมีดาวรุ่งอย่างHL Tauri เป็นศูนย์กลาง (แนวคิดของศิลปิน)
- ภาพจำลองของจานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิดโดยศิลปิน
- ส่วนประกอบของ proplyd 177-341W ในเนบิวลาโอไรออนที่สังเกตด้วยVLT MUSEแสดงให้เห็นแนวหน้าการแตกตัวเป็นไอออน จานโปรโตแพลนเทรียนต์ และหาง[ 29 ]
- HOPS-315 เป็นระบบดาวเคราะห์ที่ยังอยู่ในระหว่างการก่อตัวของดาวเคราะห์ ซึ่งแสดงหลักฐานของการก่อตัวของดาวเคราะห์ในระยะแรกเริ่ม
ดูเพิ่มเติม
- จานสะสมมวล
- จานรอบดาวเคราะห์ – การสะสมของสสารรอบดาวเคราะห์
- ดิสก์เศษซาก
- ลมจากจานหมุน – วัสดุที่ถูกพัดออกมาจากจานหมุน
- โลกที่ถูกทำลาย
- ดาวเคราะห์น้อยนอกระบบ
- การก่อตัวและวิวัฒนาการของระบบสุริยะ
- วัตถุเฮอร์บิก-ฮาโร
- สมมติฐานเนบิวลา
- Q-PACE – ภารกิจยานอวกาศเพื่อศึกษาการสะสมมวล
- ระบบดาวเคราะห์
อ่านเพิ่มเติม
- เดวิส, แซนฟอร์ด เอส. (2006). "แบบจำลองใหม่สำหรับปริมาณไอน้ำและน้ำแข็งในเนบิวลาโปรโตแพลเนตารี". สมาคมดาราศาสตร์อเมริกัน, การประชุม DPS ครั้งที่ 38, ครั้งที่ 66.07 . 38 : 617. รหัสบรรณานุกรม : 2006DPS....38.6607D ..
- Barrado y Navascues, D. (1998). "กลุ่มดาวเคลื่อนที่แคสเตอร์: อายุของดาวโฟมัลฮอทและดาวเวกา" . ดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ . 339 (3): 831– 839. arXiv : astro-ph/9905243 . Bibcode : 1998A & A...339..831B . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2007-09-29 . สืบค้นเมื่อ2007-06-22 .
- Williams, JP; Cieza, LA (2011). "จานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิดและวิวัฒนาการของพวกมัน". Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 49 (1): 67– 117. arXiv : 1103.0556 . Bibcode : 2011ARA & A..49...67W . doi : 10.1146/annurev-astro-081710-102548 . S2CID 58904348 .
- Armitage, PJ (2011). "พลศาสตร์ของจานดาวเคราะห์ก่อนกำเนิด". วารสารดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประจำปี 49 ( 1): 195– 236. arXiv : 1011.1496 . Bibcode : 2011ARA & A..49..195A . doi : 10.1146/annurev-astro-081710-102521 . S2CID 55900935 .
- ↑ "หน้าหลัก | ศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ | มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและสถาบันสมิธโซเนียน" . www.cfa.harvard.edu . สืบค้นเมื่อ2024-08-01 .