Попов С.Б.
Описание курса:
Курс посвящен теории формирования и эволюции экзопланет.
Изучение экзопланет началось около 25 лет назад. Благодаря работе ряда наземных и космических инструментов быстрыми темпами растет объем знаний как о самих экзопланетах, так и об их формирования и эволюции. Новые открытия продемонстрировали богатую физику этих процессов, а также поставили ряд интересных и важных вопросов. Т.о., в ближайшие десятилетия экзопланетные исследования будут одним из самых быстроразвивающихся разделов астрофизики: как с точки зрения наблюдения, так и в смысле теории. Однако в нашей стране эти исследования пока не получили достаточного развития. Создание систематического межкафедрального курса (лекции+семинары) на астрономическом отделении Физического факультета МГУ призвано помочь исправлению ситуации.
Основная тематика курса связана с эволюцией экзопланет: от стадии формирования до финальных стадий жизни звезды. В первую очередь выбор продиктован актуальностью рассматриваемых проблем. Однако также существенно, что эволюционные аспекты, а также процессы на стадии формирования (протопланетные диски) близки тем областям исследований (поздние стадии эволюции звезд, эволюция двойных звезд, физика аккреции, популяционный синтез и т.д.), в которых у автора курса есть достаточно большой опыт исследовательской работы.
Вводная часть состоит из трех лекций. В первых двух вводных лекциях, посвященных данным наблюдений планет, протопланетных дисков и других структур, связанных с темой курса. В третьей - кратко рассматривается строение планет и их атмосфер. Затем детально рассматривается физика протопланетных дисков и различные процессы в них. Данный раздел курса включает обсуждение параметров дисков, а также процессы формирования и эволюции (в частности – миграции) планет в диске. Это можно считать ключевой частью курса, состоящей из 9 лекций. После этого одна лекций посвящена методу популяционного синтеза, позволяющего на основе физики формирования и ранней эволюции планет рассчитать статистические свойства галактической популяции этих объектов. Три заключительные лекции посвящены детальному рассмотрению формирования и эволюции Солнечной системы, планетам и двойных системах, и наконец, эволюции планет после ухода звезды со стадии Главной последовательности.
Лекции в первую очередь основываются на свежих обзорах и, отчасти, оригинальных статьях, доступных на сайте arXiv.org. Т.о., кроме выкладываемых на сайте автора (http://xray.sai.msu.ru/~polar/html/presentations.html) презентаций лекций у студентов будет возможность доступа ко всей рекомендованной литературе. Структурно курс в общих чертах соответствует книге P.J. Armitage “Astrophysics of planet formation” (Cambridge University Press, 2010) с дополнениями, касающимися как новых результатов, так и важных аспектов эволюции планет, не вошедших в книгу.
Курс рассчитан, в первую очередь, на студентов старших курсов Астрономического отделения Физического факультета МГУ (спецкурсы обычно посещаются студентами всех трех кафедр Астрономического отделения, данный курс включен в расписание двух кафедр, связанных с астрофизикой), однако предварительные обсуждения показали, что он вызывает интерес также у аспирантов и сотрудников ГАИШ.
Согласно планам кафедры Астрофизики и звездной астрономии и кафедры Экспериментальной астрофизики лекционный курс сопровождается семинарским курсом (на который подается отдельная заявка в Фонд, автор которой – Вячеслав Журавлев, - является экспертом по физике аккреционных дисков).
План курса:
1. Методы наблюдения и открытия планет. Данные. Статистика.
Метод лучевых скоростей. Метод транзитов. Гравитационное микролинзирование. Тайминг транзитов и двойных систем. Получение прямых изображений и спектров. Данные спутниковых и наземных наблюдений. Основные закономерности в распределении параметров экзопланет.
2. Данные наблюдений по дискам и молодым системам.
Результаты наблюдений протопланетных дисков в разных диапазонах спектра. Наблюдаемые структуры в дисках (спирали, щели и т.д.). Данные с установки ALMA. Исследования молодых планет по прямым изображениям. Наблюдения остаточных (debris) дисков.
3. Типы планет. Внутреннее строение и атмосферы.
Основные типы планет. Физика внутреннего строения планет земного типа, сверхземель и газовых гигантов. Атмосферы экзопланет разных типов: структура и основные параметры.
4. Стандартные диски в астрофизике.
Предположения, лежащие в основе модели стандартных дисков, перенос углового момента. Уравнения, описывающие стационарную и нестационарную аккрецию, их решение. Энергетический баланс в модели стандартного диска. Альфа-параметризация вязкости и структура тонкого диска (диски Шакуры-Сюняева). Турбулентность в дисках.
5. Структура протопланетных дисков.
Применение модели стандартного диска к описанию протопланетного диска. Вертикальная и радиальная структура протопланетных дисков. Характерные плотности и температуры газовой и пылевой компонент в диске. Снеговая линия. Перенос излучения в дисках. Непрозрачность протопланетного диска при разных температурах. Ионизация вещества в протопланетных дисках. Дополнительный прогрев слабоаккрецирующего потока центральной звездой. Модель Чанга-Голдрайха. Наблюдаемый спектр протопланетного диска.
6. Эволюция дисков. Остаточные (debris) диски.
Особенности формирования протопланетных дисков. Столкновение крупных тел и последующий каскад разрушения. Формирование пыли и ее свойства. Проблема переноса момента импульса и/или существования турбулентности в холодных дисках. Вязкий масштаб времени. Роль магнитного поля звезды. Обсуждение роли магниторотационной неустойчивости в генерации турбулентности в потоке слабоионизованного вещества. Истощение газовой компоненты протопланетного диска за счет аккреции, ветра и фотоиспарения. Эволюция остаточных пылевых дисков. Торможение излучением (Poynting-Robertson drag).
7. Образование планетезималей I. Динамика пыли в протопланетных дисках.
Аэродинамика пыли. Рост пылинок за счет процессов оседания и радиального дрейфа в ламинарном газовом потоке и в присутствии турбулентности. Проблема "метрового рубежа" (рост тел от десятков сантиметров до десятков метров). Концентрация пыли в долгоживущих вихрях. Пучковая неустойчивость газо-пылевой среды.
8. Образование планетезималей II. Рост планетезималей.
Проблема роста планетезималей за счет процесса коагуляции пыли. Разница между ростом каменных и ледяных тел. Гравитационная неустойчивость пылевого субдиска: механизм Сафронова-Голдрайха-Варда и критерий Тоомре. Проблема турбулентного размывания пылевого субдиска. Пучковая неустойчивость газо-пылевой среды как возможное решение проблемы роста планетезималей.
9. Образование землеподобных планет и планет-гигантов.
Образование землеподобных планет: дисперсионный и сдвиговый режимы взаимодействия планетезималей. Зависимость величины фактора гравитационной фокусировки от дисперсии скоростей в диске планетезималей. Статистические модели эволюции диска планетезималей. Процесс коагуляции планетезималей. Стадии безудержного (runaway) и олигархического (oligarchic) роста зародышей землеподобных планет. Понятие уединяющей массы (isolation mass). Рост планет-гигантов благодаря аккреции газа на твердое ядро: квази-гидростатический режим и режим безудержного роста. «Аккреция щебенки» (peeble accretion). Альтернатива: рост планет-гигантов за счет гравитационной неустойчивости протопланетного диска.
10. Гравитационное взаимодействие планет с протопланетным диском I.
Анализ взаимодействия планеты с диском в импульсном приближении. Резонансное возбуждение волн плотности в диске. Формирование подковообразной области (horseshoe region). Направление миграции. Миграция I типа: зависимость от массы планеты и параметров диска. Критерий открытия щели в диске массивной планетой. Миграция II типа.
11. Гравитационное взаимодействие планет с протопланетным диском II.
Решение проблемы «горячих» Юпитеров. Проблема роста мигрирующих планет-гигантов.
Миграция в турбулентном диске. Миграция в неизотермичных дисках. Быстрая миграция III типа. Миграция в самогравитирующем диске. Переходы между разными типами миграции по мере эволюции планеты и диска. Дальнейшее развитие моделей гравитационного взаимодействия планет с диском.
12. Взаимодействие планет на ранней стадии эволюции системы.
Миграция в диске из планетезималей. Орбитальная релаксация планетной системы. Гравитационное рассеяние планет на планетах, «прыгающие» Юпитеры. Убегание планет. Появление орбит с высоким эксцентриситетом и наклонением. Ретроградные орбиты. Эффекты от взаимодействия некомпланарных планет с протопланетным диском. Орбитальные резонансы. Эффект Лидова-Козаи. Вопрос гравитационной устойчивости планетной системы. Роль близких пролетов звезд и молекулярных облаков. Столкновения крупных тел.
13. Популяционный синтез.
Основы моделирования методом популяционного синтеза. Специфика задачи о формировании планетных систем. Примеры расчетов. Разбор особенностей моделей и основных неопределенностей.
14. Солнечная система.
Формирование солнечной системы. Миграция в Солнечной системе. Nice model и ее развитие. Поздняя тяжелая бомбардировка и формирование пояса Койпера. Формирование облака Оорта. Эффект Ярковского и эволюция орбит астероидов.
15. Планеты и диски в двойных.
Формирование дисков в двойных системах. Околозвездные диски и диск вокруг двойной.
Влияние эффекта Лидова-Козаи. Эволюция орбит планет в двойных системах. Роль звездной эволюции.
16. Эволюция после Главной последовательности.
Эволюция орбит из-за потери массы через звездный ветер. Приливная эволюция. Падение планет на звезды. Перетекание и приливное разрушение планет. Эволюция после сброса оболочки. Эволюция орбит тел вокруг белых карликов. Формирование планет вокруг нейтронных звезд.
