Источник: ScienceDaily
Формирование планет происходит в газопылевых дисках вокруг молодых звёзд, однако запас газа в них не бесконечен. Новые данные, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), позволили астрономам лучше разобраться в том, как этот газ улетучивается и как основные механизмы его потери сменяют друг друга по мере взросления планетных систем.
Исследование под руководством Намана Баджаджа из Аризонского университета, в соавторстве с учёным Института SETI Умой Горти, охватило 72 молодые звезды, похожие на Солнце, и их протопланетные диски. Это одна из крупнейших работ по изучению формирования планет, выполненная на JWST, и её результаты показывают, что на разных этапах раннего развития системы преобладают разные типы ветров. Научная статья опубликована в журнале The Astronomical Journal.
«Что особенно интересно в этом исследовании — теперь мы можем на большой выборке молодых систем видеть, как механизмы удаления газа из планетообразующих дисков меняются со временем. Рассеивание диска задаёт своего рода фундаментальные часы для формирования планет: как только газ исчезает, возможность создавать богатые газом планеты фактически теряется», — приводит слова Горти ScienceDaily.
Нашей Солнечной системе около 4,5 миллиарда лет, и сегодня она в основном состоит из пустого пространства. Однако в первые несколько миллионов лет своего существования молодое Солнце было окружено плотным протопланетным диском, в котором газа было примерно в 100 раз больше, чем пыли. Практически весь этот газ в итоге исчез. Понимание того, когда и как теряется этот материал, важно потому, что газ необходим для формирования планет-гигантов вроде Юпитера и Сатурна. Если диск лишается газа слишком быстро, у зарождающихся планет может не остаться времени, чтобы накопить огромные атмосферы, нужные для превращения в газовых гигантов.
Баджадж с коллегами изучали этот процесс по архивным наблюдениям, сделанным прибором MIRI на JWST. Отобранные 72 системы находятся на разных стадиях развития, и вместе они образуют подобие последовательности снимков, позволяющей восстановить, как рассеивание газа меняется с возрастом систем. В 2020 году Илария Паскуччи, профессор LPL и научный руководитель Баджаджа, возглавила связанное исследование об эволюции джетов и ветров. До JWST учёные не могли напрямую наблюдать молекулярный водород, но команда предполагала, что молекулярные ветры должны существовать и на самых ранних этапах быть достаточно плотными, чтобы блокировать рентгеновские фотоны. Прямое отслеживание молекулярного водорода в новых наблюдениях подтвердило эти предположения. Исследователи сосредоточились на двух индикаторах утекающего вещества — молекулярном водороде, самой распространённой молекуле в протопланетных дисках, и ионизированном неоне. Чувствительность и разрешение JWST позволили отличить широкие ветры с молекулярным водородом от джетов и ветров, отслеживаемых по неону.
В самых молодых системах, где вещество ещё падает на центральную звезду, учёные обнаружили мощные джеты, а также широкие ветры, содержащие и молекулярный, и атомарный газ. Такие истечения согласуются с ветрами, порождаемыми магнитными полями, пронизывающими диск. Газ может двигаться вдоль этих силовых линий наружу, унося из диска и вещество, и угловой момент. По мере взросления планетных систем и ослабления потока вещества на звезду джеты слабеют, а улетучивающийся газ становится всё более атомарным. На этой стадии высокоэнергетическое излучение молодой звезды проникает сквозь истончающийся материал и нагревает газ в диске до тех пор, пока он не начнёт уходить. Этот механизм называют фотоиспарением. Горти десятилетиями изучает эволюцию и рассеивание протопланетных дисков, включая роль ультрафиолетового и рентгеновского излучения молодых звёзд в запуске фотопспарительных ветров. Новые наблюдения JWST связывают эту теорию с данными по десяткам систем и указывают, что фотоиспарение приобретает большее значение по мере старения дисков, когда магнитные джеты и ветры ослабевают.
Полученные результаты говорят о том, что за очищение планетообразующего диска не отвечает какой-то один механизм. Молодые системы, судя по всему, начинают с мощных магнитных джетов и ветров, а затем переходят к более поздней стадии, где всё большую роль играют атомарные ветры, в том числе возникающие при фотоиспарении. Этот переход имеет серьёзные последствия для формирующихся планет. «Формирование планет — это гонка со временем, — сказал Баджадж. — Газовые гиганты вроде Юпитера должны собрать свои массивные атмосферы, пока диск ещё достаточно плотный, чтобы их снабжать, до того как ветры и джеты унесут это сырьё в космос». Исследователи обнаружили протяжённое излучение молекулярного водорода и ионизированного неона в 66 из 72 дисков. Конические ветры из молекулярного водорода проявились в 46 системах, а быстрые неоновые джеты — в 40. В каждой системе с неоновым джетом также были признаки ветра, отслеживаемого по молекулярному водороду или кислороду.
Работа развивает более ранние наблюдения той же группы. В 2024 году Баджадж, Горти и их коллеги с помощью JWST получили изображение газа, уносимого из планетообразующего диска вокруг молодой звезды T Cha. Та работа показала, что JWST способен напрямую изучать рассеивание диска в отдельной планетной системе, а новое исследование распространяет этот подход на десятки молодых звёзд и показывает, как меняется соотношение между джетами, молекулярными и атомарными ветрами по мере старения планетных систем. Теперь учёные хотят точно определить, сколько газа эти ветры уносят со временем и из каких областей диска происходит улетучивающееся вещество. Такие измерения могут показать не только то, как быстро закрывается окно для формирования планет, но и какие участки диска способны порождать разные типы планет, прежде чем их запас газа исчезнет.