يُعَدّ تحديد مستوى الاضطراب وأحجام الحصى في الأقراصِ ما قبل الكوكبية خطوةً أساسيةً لفهم ديناميات الغاز–الغبار في هذه الأقراص، وهي عواملُ حاسمةٌ لتكوُّن الكواكب. أظهرت التجاربُ المخبريةُ الحديثة أنّ التفتّت الكارثيَّ لجزئيات الغبار الجليدية قد يحدثُ عند سرعاتٍ أدنى بكثير ممّا كان يُعتقَد سابقًا، ما يُقَلِّص الحدَّ الأقصى لحجم الحبيبات في نماذجِ النموِّ التصادمي.
انطلاقًا من التوزيعِ الشعاعي المُنعَّم لأحجامِ الحبيبات المستنتَج من تحاليلِ الاستمرارية متعدّدة الأطوال الموجية باستخدام مراصد ALMA وVLA، نقترحُ نموذجًا مُبسَّطًا لتفسير هذه الظاهرة، بقصدِ تقييد مستوى الاضطراب في مستوى مُنتصف أقراص ما قبل الكوكبية.
يعتمد نهجُنا على الافتراض أنّ عتبةَ التفتّت هي الحاجزُ الرئيسي الذي يحدُّ من نموّ الحصى عند ذُرى الضغط. وبناءً عليه، فإنّ حجمَ الحبيبات في موضع الحلقة يُمكن أن يوفّر دلائل مباشرة على السرعةِ المضطربة التي تحكمُ تصادماتِ الحصى، وبالتالي على مستوى الاضطراب في مستوى مُنتصف القرص. ونُؤكِّد صلاحيّة هذه الطريقة باستخدام البرمجية Dustpy التي تُحاكي نقلَ الغبار وتكتُّلَه.
طبّقنا طريقتَنا على سبعةِ أقراص: TW Hya، IM Lup، GM Aur، AS 209، HL Tau، HD 163296، وMWC 480، حيث استُخْلِصَت أحجامُ الحبيبات من تحليلِ الاستمرارية متعدّد الأطوال الموجية. تُظهِر نتائجُنا سِمةً مشتركة تتمثّل في قيمةٍ منخفضةٍ لمعاملِ الاضطراب تبلغ \(\alpha\sim10^{-4}\) في خمسةٍ من بين سبعةِ أقراص، وذلك بافتراضِ سرعةِ تفتّت \(v_{\mathrm{frag}} = 1\,\mathrm{m\,s}^{-1}\). أمّا سرعاتُ تفتّتٍ أعلى فتستلزمُ معاملاتِ اضطرابٍ أكبر بكثير ممّا تسمحُ به القيودُ الرصدية الحالية. يبرز القرص IM Lup بمعاملٍ أعلى نسبيًّا يبلغ \(10^{-3}\). ومن اللافت أنّ HL Tau يُظهِر اتجاهًا تصاعديًّا في \(\alpha\) مع نصفِ القطر، ما يدعمُ زيادةَ الاضطراب في المنطقة الخارجية للقرص، وربّما مُرتبطًا بتساقُطِ المادة على HL Tau. وبِديلًا من ذلك، إذا كان الاضطرابُ منخفضًا، فقد يُشير ذلك إلى أنّ الحبيبات في المنطقةِ الخارجية لم تبلُغ بعدُ حاجزَ النمو.
نخلُص إلى أنّ أحجامَ الحبيبات دون المليمترية المُقيَّدة حاليًّا في هذه الأقراص تُشير إلى مستوياتٍ منخفضةٍ من الاضطراب، على نحوٍ يتّسق مع هشاشةِ الحصى المستنبطة من نتائجِ التجارب المخبرية الحديثة.
في ظلّ التطوّراتِ الأخيرة في نظريةِ الحقول الكمّية، أُحرِز تقدّمٌ كبير في فهمِ التفاعلات الأساسية. ووفقًا للنسبية العامة لـEinstein، تُفَسَّر الجاذبية بوصفها انحناءً في نسيجِ الزمكان تُحدِثه الكتلة. وتُعبِّر المعادلة الآتية عن ذلك:
\[ G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \]
حيث \(G_{\mu\nu}\) هو موترُ آينشتاين، و\(\Lambda\) هو الثابتُ الكوني، و\(g_{\mu\nu}\) هي متريّةُ الزمكان، و\(T_{\mu\nu}\) هو موترُ الطاقة–الزخم.
وفي السياق ذاته، طُوِّر النموذجُ القياسيّ (Standard Model) لفيزياء الجسيمات، الذي يَصِف القوى الأساسية الثلاث (الكهرومغناطيسية، والضعيفة، والقوية) والجسيمات المرتبطة بها. يعتمدُ النموذج على مبادئِ نظريةِ الحقل الكمّي، ويُمكن تمثيلُه صوريًّا بالكثافة اللاغرانجية:
\[ \mathcal{L} = -\frac{1}{4} F_{\mu\nu}F^{\mu\nu} + \bar{\psi}(i\gamma^\mu D_\mu - m)\psi + \mathrm{h.c.} \]
حيث \(\mathcal{L}\) هي الكثافةُ اللاغرانجية للنظام، و\(F_{\mu\nu}\) موترُ الحقل الكهرومغناطيسي، و\(\psi\) هو حقلُ الفرميون، و\(D_\mu\) هي المشتقّةُ التوافُقية.
يُظهِر تحليلُ النتائج توافقًا ملحوظًا بين التنبؤات النظرية والبيانات الرصدية، ما يُعزّز صلاحيّة النموذج القياسيّ والنسبيةِ العامة في وصف الظواهر الفيزيائية ذات الصلة. ومع ذلك، تبقى أسئلةٌ مفتوحة، مثل مسألتي المادةِ المظلمة والطاقةِ المظلمة، وتستلزمُ مزيدًا من البحث.
يبدو أنّ التقدّم في نظريةِ الحقول الكمّية ونظريةِ الجاذبية قد أسهمَ بشكلٍ كبير في تعميق فهمِنا للكون. وتُؤكّد نتائجُنا الدورَ الأساسي لهاتين النظريتين في الفيزياء الحديثة، مع استمرارِ الجهودِ البحثية لكشف أسرارٍ كونيةٍ إضافية وحلّ الألغازِ المتبقية.
تُعَدّ جزيئاتُ الغبار بحجم (sub-)mm، والتي تُعرَف عادةً بالحصى، اللَّبناتِ الأساسيةَ لتكوُّن الكواكب. ولِفهم عملية تكوين الكواكب، لا بُدّ من فهم خصائصِ الحصى، ونموِّ تجمُّعاتها، وديناميكيتها الهوائية.
في الأقراصِ الكوكبية الأولية، تنحرف حركةُ الغاز عن السرعاتِ الكبلرية بسبب دعمِ الضغط؛ لذا تُسحَب الحصى بواسطة الغاز، ما يُغيّر زخمَها الزاوي ويؤدّي إلى انجرافٍ شعاعيّ (Weidenschilling1977a). وبما أنّ الغازَ لَزِجٌ في القرص الكوكبي الأولي، فإنّ الحصى تنتشر أيضًا بفعل الخلطِ الغازي المُضطرب (OrmelCuzzi2007, YoudinLithwick2007). وتعتمدُ هذه التأثيراتُ جميعُها على حجمِ الحصى، الذي يتطوّر وفق توازنٍ بين التصادماتِ اللاصقة، والتفتّت (BrauerEtal2008, BirnstielEtal2010)، والارتداد (ZsomEtal2010, WindmarkEtal2012a)، وكذلك الانجرافِ الشعاعيّ للحصى (BirnstielEtal2012).