Ново теоретично проучване предполага, че гигантски екзопланети, както и звезди и дори черни дупки със средна маса, могат да се образуват във външните части на акреционните дискове около свръхмасивните черни дупки, според работа, публикувана в Universe Today.

Защо външните части на диска изглеждат като протопланети?

Авторите, включително водещият изследовател Владимир Лира от Държавния университет на Ню Мексико, са изследвали условията в така наречените тороидални структури на активните галактически ядра (АГЯ). Такива дискове могат да достигнат размери до 20 000 астрономически единици или повече, така че външните им области са много по-хладни от вътрешните.

Според изследователите, тези студени външни зони имат температури, подобни на тези в протопланетарните дискове около младите звезди. Там може да се кондензира прах, проправяйки пътя за образуване на планети. Учените пишат, че при определени условия в такива „прашни торакси“ могат да действат същите механизми, както в обикновените звездни системи.

Ключът е, че дискът е силно намагнетизиран. Магнитното поле стабилизира газа и потиска турбуленцията, позволявайки на праха да се слепва и натрупва, вместо да се разпръсква.

Стриймингова нестабилност и раждането на гиганти

Моделът показва, че външните части на дисковете на АГЯ могат да предизвикат така наречената стриймингова нестабилност (streaming instability) – водещ сценарий, който обяснява как прахът и камъчетата в протопланетарните дискове се обединяват в големи тела, планетезимали.

В нормалните дискове газът забавя праховите частици, карайки ги да се въртят спираловидно към звездата и да изчезнат, преди да могат да образуват планети. Струйната нестабилност възниква, когато твърдата материя се концентрира толкова много в определени области, че започва да дърпа газа със себе си. Това премахва „насрещния вятър“ от газ и позволява на праха да увеличава масата си.

В случай на акреционен диск (АГЯ), вместо звезда, в центъра има свръхмасивна черна дупка, но механизмът е подобен. Авторите показват, че размерите на праховите зърна, необходими за нестабилността, лесно се постигат чрез коагулация. Получените прахови нишки могат да съдържат слънчеви маси материя, които се колапсират в десетки милиони планетозимали – от масата на Земята до свръхмасивните „супер-Юпитери“.

Според изчисленията, масите на отделните обекти могат да надвишават масата на Юпитер и дори да достигнат границата на горене на водород, където вече започва звездната еволюция.

Прашни „лавови капки“ вместо познати планети

Екзопланетите, които се образуват при такива условия, се различават значително от планетите в протопланетни дискове. Те нямат обичайната диференциация в металното ядро, мантията и обвивката. Вместо това, те са обекти, съставени изцяло от натрупан прах.

Авторите прогнозират съществуването на популация от „екзотични обекти“, които се образуват точно над границата на горене на водорода, но са съставени от чист прах. Изследователите предполагат, че такива тела вероятно имат дегенерирани ядра , а външните им слоеве се нагряват от радиоактивния разпад на краткоживеещи изотопи като 26Al и 60Fe, които произвеждат масивни звезди в диска.

В резултат на това силикатите вътре би трябвало да се стопят, образувайки глобален магмен океан с освободена атмосфера. Самите автори образно наричат ​​тези обекти „дегенерирали лавови капки“, обикалящи около активното галактическо ядро.

От прашни планети до черни дупки

С нарастването си, някои от тези планетезимали могат да достигнат така наречената кросоувър маса (crossover mass), когато масата им стане сравнима с тази на околния диск. След това те започват ефективно да акретизират газова обвивка.

Според авторите, натрупването на газ може да бъде толкова интензивно, че обектите да преминат към звездна маса, отваряйки канал за образуване на звезди чрез механизма на „ядрено натрупване“ в дисковете на АГЯ. Много масивните звезди (около 100 слънчеви маси) живеят по-малко от милион години и завършват живота си с колапс на ядрото и експлозия на свръхнова, оставяйки след себе си черни дупки.

Ако акреционната маса надвиши около 300 слънчеви маси, става възможен директен колапс в черна дупка със средна маса (IMBH). По този начин, акреционните дискове на активните галактически ядра могат да бъдат естествени „люлки“ за такива дълго търсени обекти.

Колко такива планети има и могат ли да бъдат видени?

Моделът предполага, че потенциално десетки милиони планети с масата на Юпитер биха могли да се образуват в един-единствен диск на АГЯ. Директното наблюдение на тези тела обаче би било изключително трудно.

Поради гравитационните взаимодействия между многобройните обекти в диска, би трябвало да действа ефект на сегрегация на масата: по-масивните тела постепенно „потъват“ по-близо до центъра, докато по-леките се изместват навън. Следователно, междинните черни дупки и масивните звезди, които се образуват в тази среда, в крайна сметка би трябвало да се изместят към вътрешните области на диска, по-близо до свръхмасивната черна дупка.

Авторите заключават, че дисковете на активните галактически ядра са благоприятни места за формирането на широк спектър от астрофизични обекти – от планети с масата на Юпитер до звезди и черни дупки със звездна и междинна маса. Външните области на тези дискове, доминирани от динамиката на праха, потиснатата турбулентност и ефективната акреция, действат като вид аналог на протозвездните дискове, но в много по-големи пространствени и времеви мащаби.

Изследователите подчертават, че тяхната работа предоставя силна теоретична подкрепа за съществуването на до десетки милиони планети с масата на Юпитер и евентуален канал за образуване на черни дупки със средна маса в дисковете на АГЯ, пряко свързвайки полетата на образуване на планетите и растежа на черни дупки.