Учёные предполагают, что на заре истории Солнечной системы столкновения небесных тел происходили довольно часто: планеты мигрировали, а планетезимали (небесные тела, из которых формируются планеты) сходили со своих орбит. Согласно гипотезе гигантского столкновения, примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с объектом размером с Марс — его называют Тейей — и в результате образовалась система Земля — Луна. С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) астрономы изучили молодые звёздные системы, в которых, судя по всему, происходят похожие катастрофические события.
В исследовательскую группу вошли специалисты из Института космических наук (SSI), обсерватории Конкоя, центра передового опыта Венгерской академии наук (MTA Centre of Excellence), обсерватории Стюарда, Лаборатории луны и планет (LPL) и ряда университетов. Результаты работы опубликованы в четверг в журнале The Astrophysical Journal.
Эти наблюдения помогают понять состав и эволюцию молодых систем и дают учёным возможность заглянуть в прошлое Солнечной системы. «Как формировались каменистые планеты и как развивались планеты-гиганты — это часть общей истории образования Солнечной системы. Всё это одна история, — заявила Кейт Су, исследователь SSI и главный автор работы. — Наша работа над экстремальными осколочными дисками помогает собрать воедино общую картину того, что мы сейчас понимаем».
С возрастом звёздных систем меняется состав окружающего их вещества. Сначала они проходят через богатую газом фазу протопланетного диска, где формируются планеты, а затем переходят в бедную газом фазу осколочного диска. До выхода на пенсию в январе 2020 года космический телескоп NASA «Спитцер» обнаружил внутри последней стадию, известную как фаза экстремального осколочного диска. В системах на этой стадии содержится много тёплой пыли в области, сопоставимой с зоной орбит каменистых планет в Солнечной системе.
Команда исследовала звёздные системы на этой стадии с помощью «Уэбба» и, к своему удивлению, обнаружила, что они не соответствуют теоретическим предсказаниям о своей распространённости. Напротив, они оказались довольно редкими: текущие данные говорят о том, что лишь примерно 1% молодых звёзд показывает наблюдаемые признаки. Тем не менее команда собрала выборку из 21 экстремального осколочного диска, используя архивные данные «Спитцера» и «Уэбба» (5 от «Спитцера» и 16 от «Уэбба»). Также были выявлены 12 недавно наблюдавшихся дисков и проведены дополнительные наблюдения четырёх дисков из числа найденных «Спитцером».
В выборке восемь дисков богаты кремнезёмом (чёрные точки в таблице ниже), а 13 бедны им (фиолетовые). Первые, вероятно, возникли в результате высокоэнергетических столкновений между телами размером с Марс, когда большая часть материала испаряется. Вторые говорят о том, что столкновения в этих дисках были менее энергичными. Команда также отметила, что богатые кремнезёмом диски встречаются только вокруг звёзд возрастом менее 300 миллионов лет, тогда как бедные кремнезёмом диски наблюдаются у звёзд самого разного возраста. Как сказала Су в пресс-релизе NASA:
«Это первый раз, когда мы собрали достаточно систем, чтобы по-настоящему понять этот подкласс, который мы называем экстремальными осколочными дисками. До «Уэбба» у нас было мало информации. Мы знали, что они странные и сильно отличаются от типичных холодных осколочных дисков, которые нам известны, например у Веги и Фомальгаута. Теперь, когда у нас больше данных, мы можем точно определить, что эти диски означают для формирования и эволюции планет».
Изучая состав экстремальных осколочных дисков, учёные пришли к выводу, что богатые кремнезёмом диски возникают при высокоэнергетических столкновениях объектов размером с Марс, а бедные кремнезёмом — при менее энергичных событиях с участием тел размером с Луну. Источник: NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)
Моделирование показывает, что такие планеты, как Земля, должны формироваться в первые несколько сотен миллионов лет после образования звёздной системы, что совпадает с возрастом богатых кремнезёмом экстремальных осколочных дисков в выборке. Это также согласуется с оценками, согласно которым система Земля — Луна возникла примерно через 100 миллионов лет после образования Солнца, и с моделями, предполагающими, что она появилась в результате столкновения Земли с объектом размером с Марс.
Кроме того, результаты указывают на то, что наше Солнце миллиарды лет назад могло пройти через фазу бедного кремнезёмом экстремального диска. Это согласуется с теорией поздней тяжёлой бомбардировки, если предположить, что более старые бедные кремнезёмом диски и их случайная инфракрасная переменность отражают орбитальную нестабильность. В таком сценарии газовые гиганты мигрировали на огромные расстояния и нарушали орбиты меньших тел, вызывая катастрофические столкновения, которые порождали богатые пылью фазы, наблюдаемые в экстремальных осколочных дисках.
Хотя многие вопросы остаются без ответа, исследователи рассчитывают решить их по мере роста выборки. Помимо архивных данных, этим исследованиям помогут текущие наблюдения «Уэбба» и телескопов следующего поколения, таких как космический телескоп «Нэнси Грейс Роман» и недавно отобранная миссия PRIMA (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics — зондовая миссия по исследованию астрофизики в дальнем инфракрасном диапазоне).
«Как формировались каменистые планеты и как развивались планеты-гиганты — это часть общей истории образования Солнечной системы. Всё это одна история, — сказала Су. — Наша работа над экстремальными осколочными дисками помогает собрать воедино общую картину того, что мы сейчас понимаем».