Складна еволюція протопланетних дисків: нові спостереження спростовують стару теорію

Зоряна система HD 142527
Художнє зображення зоряної системи HD 142527. B. Saxton / NRAO / AUI / NSF.

Протягом останніх кількох століть думки про утворення Сонячної системи значно змінилися. Серед безлічі, інколи досить екзотичних теорій, поступово вирізнилася ідея, що процес формування планет у зоряних системах пов’язаний з тією самою хмарою газу та пилу, з якої також утворилася й центральна зоря. Однак нові дослідження змінюють погляди на цей космічний процес.

Концепція говорить про те, що під дією гравітації новонародженого світила, хмари пилу та газу поступово починають обертатися навколо зорі в одній площині, формуючи щільний диск.

У цьому диску весь час відбуваються зіткнення між частинками, тож їхній розмір збільшується, а згодом формуються зародки планет. Донедавна це була лише гола теорія, однак з розвитком засобів спостереження, вчені ще кілька років тому отримали можливість детально вивчити цей процес. Дослідникам вдалось підтвердити теоретичні уявлення про формування планет з протопланетного диска, а також доповнити картину новими та цікавими фактами.

Утворення Сонячної системи
Традиційне уявлення про формування Сонячної системи. Джерело: University of Nebraska-Lincoln

У червні 2018 року було опубліковано дослідження групи вчених із Нідерландів, Швеції та Данії. За допомогою Великого міліметрового масиву Атаками, що складається з 66 радіотелескопів, розкиданих по південноамериканській пустелі, вони досліджували зорю TMC1A, що знаходиться у сузір’ї Тельця. Зоря досі перебуває на стадії формування і, як встановили астрономи, в майбутньому має збільшитися ще на третину свого розміру.

Початок зоряної системи

Як було встановлено, молода зоря оточена газопиловим диском, радіус якого складає близько 100 астрономічних одиниць. Досліджуючи її спектр у міліметровому діапазоні, вчені звернули увагу на аномально низький рівень піків випромінювання, які відповідають з’єднанням вуглецю з киснем, а саме – монооксиду вуглецю. Складалося таке враження, що щось відбиває це випромінювання. Однак молекулярний газ та частинки мікроскопічного розміру на це були не здатні.

Художнє зображення протопланетного диска
Художнє зображення протопланетного диска. Джерело: Daria Dall’Olio [CC-BY-SA 3.0]

Тоді вчені дійшли висновку, що ріст твердих часток у протопланетній хмарі, яка оточує зорю, вже розпочався. Цей процес протікав всупереч тому, що формування планети досі не закінчилося. Отриманий спектр випромінювання можна було пояснити тільки за тієї умови, що злипання частинок вже призвело до появи об’єктів міліметрового масштабу. Цей розмір може здаватися занадто маленьким за космічними мірками, однак саме початковий етап зливання часток виявляється найважчим.

Це відкриття виявилося дуже вчасним, оскільки ранній початок формування планетних систем дозволив вченим пояснити одну невідповідність між часом існування протопланетних дисків та масою планет. Якщо останній етап формування зорі дає початок формуванню планет, то часу існування протопланетного диска виявляється достатньо для утворення невеликих планет розміром до Нептуна включно. Проте такі гіганти, як Сатурн та Юпітер просто не встигли б сформуватися. Тепер же стає ясно, що у той момент, коли формування зорі завершується, навколо неї вже кружляють «зерна» планет розміром більше міліметра, які досить швидко формують зародки планет-гігантів. А далі сила тяжіння дозволяє їм зростати достатньо швидко.

Прихований об’єкт

У вересні 2018 року з’явилася стаття японських астрономів з Токійського університету, які використовували той самий масив радіотелескопів Атаками для дослідження дуже тьмяної молодої зорі, розташованої від нас лише у 47 світлових роках. Попри те, що вона знаходиться відносно недалеко, її світність становить усього 0,7% від світності Сонця, тож світло у видимому діапазоні просто не може продертися крізь щільний газопиловий диск, який цю зірку оточує.

Протозірка IRAS 15398-3359
Зображення молодої протозорі IRAS 15398-3359, отримане від ALMA. Джерело: ©2018 Yuki Okoda, Graduate School of Science, The University of Tokyo

Її дослідження можливе у субміліметрових хвилях. Однак зображення, отримані з масиву ALMA радше нагадували абстрактні картини, ніж зображення молодої зорі, оточеної диском. Цей факт не так би й сильно засмучував вчених, якби вони були впевнені у тому, що з цього газопилового диска дійсно народиться планетна система. Річ у тім, що світність протозорі сього за кілька тисяч років може звирости з 0,7 до 20% від світності Сонця, а газ та пил може просто здути сонячним вітром.

Але щоб щось передбачати, треба розуміти, що ховається за яскравими зонами, які відповідають різним інтенсивностям випромінювання на субміліметрових хвилях. Роздивившись деякі емісійні лінії та проаналізувавши зміну їх інтенсивності у різних точках зображення досліджуваної області, вчені дізналися про швидкості, з якими рухаються газ та пил.

Аналіз таких зображень дає змогу розібратися в еволюції екзопланет. Джерело: ©2018 Yuki Okoda, Graduate School of Science, The University of Tokyo

За математичною моделлю можна вирахувати масові та розмірні параметри самого диску, а також масу самої зорі. Як показало дослідження японських вчених, пряме вимірювання випромінювання від таких невеликих зір може давати досить хибні дані про їхню масу. Досліджуючи їх еволюцію у взаємозв’язку з протопланетним диском (це можливо при застосуванні ALMA), можна більш точно виміряти ці параметри, а отже – передбачити як буде еволюціонувати система у майбутньому.

Хто отримає матерію?

У жовтні цього року вчені з Європейської південної обсерваторії та Університету Лазурного Узбережжя опублікували вже зовсім дивну статтю. Вони теж використовували отримані за допомогою ALMA дані, однак цього разу зробили великий огляд протопланетних дисків, а не однієї зорі. Для кожного диску вони підрахували масу і порівняли отримані результати з наявний даними про маси вже відкритих “дорослих” екзопланетних систем.

Результат виявився настільки дивним, що він ставить під сумнів усі наші уявлення про еволюцію планет. За спостереженнями цієї групи, середня маса протопланетних дисків виявилася нижчою за середню масу планетних систем. Речовини, що спостерігається у протопланетних дисках, просто не вистачає для формування планет. Точніше їхня маса або така сама, як і маса планетних систем, або трохи нижча за неї.

Одна із найбільших екзопланетних систем Кеплер-90
Одна із найбільших екзопланетних систем Кеплер-90 у порівнянні з Сонячною системою – художнє зображення. Джерело: NASA

Ймовірно, ми недооцінюємо масу протопланетних дисків, однак треба враховувати, що значна частка пилу та газу просто втрачається при формуванні планети. Тобто має бути якийсь додатковий механізм. Або формування планет і, особливо, планет-гігантів на останніх стадіях відбувається екстремально швидкими темпами та диск просто не встигає розсіятися, або ж протягом тих 1-3 мільйонів років, коли йде формування планет, відбувається постійне надходження протопланетної речовини ззовні. Поки сказати більше про кожну з цих теорій важко, оскільки для їхнього підтвердження чи спростування треба проводити більш ґрунтовні дослідження.

Огляд протопланетних дисків

Втім, у грудні 2018 року був опублікований огляд 20 близьких до нас зір із протопланетними дисками. Завдяки новим даним від ALMA для кожної з зірок було отримано зображення її протопланетного диска з високою роздільною здатністю. Вчені очікували, що отримані зображення значно відрізнятимуться в залежності від стадії формування планетної системи.

Галерея протопланетних дисків
Галерея протопланетних дисків. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Вважалося, що диски навколо наймолодших протопланетних систем мають бути тьмяними та без яскраво виражених компонентів структури. Яким же було здивування вчених, коли вони побачили яскраві кільцеві структури у системах, вік яких ще не досяг й мільйона років.

Динамічна картина еволюції екзопланет

Це відкриття  підтверджує висновок про те, що утворення планет розпочинається ще до закінчення формування зорі. Крім того, перетворення планети з кам’яного тіла, подібного до Марса та Землі на щось подібне на Нептун, шляхом падіння на нього речовини, також відбувається надзвичайно швидко – за період який вимірюється десятками тисяч років.

Характерні форми дисків говорять про те, що утворення планет може відбуватися на достатньо великих відстанях у кілька десятків астрономічних одиниць від зорі. Також на основі нових даних вчені запропонували розв’язання однієї проблеми, яка вже деякий час існує у теорії формування планет. Річ у тому, що у традиційній теорії з диском, що увесь час рівномірно обертається, частинки, що досягли сантиметрового розміру просто не встигали утворити масивну планету – втрата енергії при зіткненнях і сила тяжіння змусили б їх впасти на зірку.

Протопланетні диски молодих систем. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Існування на ранніх стадіях еволюції протопланетного диска зони з підвищеною щільністю та швидкістю обертання дає таким частинкам більше часу на формування великого небесного тіла, яке згодом зможе знаходитися на своїй орбіті мільйони років.

Цікавий непостійний світ

Отже, якщо скласти докупи усі знання, отримані з цьогорічних досліджень, може скластися наступна картина. Теорія про утворення планет із протопланетних дисків вже ні в кого не викликає сумніву. Однак спостереження демонструють, що цей процес є динамічнішим, ніж вважалося раніше. Шлях формування макрозерен з мікрочастинок починається ще до завершення формування зорі.

Коли молоде світило спалахує на повну потужність, а сонячний вітер починає “видувати” газ та пил, всередині диска вже існують скупчення твердих тіл, розмір яких вимірюється міліметрами, сантиметрами, а іноді й метрами. Ці скупчення формують зони підвищеної щільності у вигляді кілець та арок, всередині яких дуже інтенсивно формуються спочатку тіла розміром з Марс, а потім деякі з них дуже швидко доростають до розмірів Нептуна. При цьому цілком можливо, що система активно черпає матерію ззовні.

Електронна мікрофотографія міжпланетної частки пилу, ймовірно, кометного походження. Джерело: Hope Ishii

Нещодавнє дослідження залишків міжпланетного пилу в нашій власній Сонячній системі показало, що формування хімічного складу планет відбувалось у декілька етапів, причому перший з них відбувся ще до формування Сонячної системи. Крім того, варто згадати про “гарячі юпітери“, деякі з яких сформувалися на більшій відстані від своєї зорі, ніж їхнє сьогоднішнє положення.

На перший погляд, ніяк не пов’язане з цим дослідження про вплив орбіт екзопланет на їхній клімат, у якому було показано, що стабільні орбіти планет – скоріше виключення, ніж правило, набуває нового сенсу. Схоже,  що загальноприйнятна модель світу, у якому спочатку виникає зоря, а потім навколо неї з пилу та газу “конденсуються” на своїх місцях планети, добігає свого кінця.

Від самого початку й до кінця життя планетної системи – це складний танок матерії, в якому всі компоненти впливають на інші, а правила диктуються траєкторіями руху об’єктів, їхніми масами та щільністю. І тим цікавіше все досліджувати.

Nature Astronomy (2018), doi: 10.1038/s41550-018-0497-x: Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/aad8baA&A (2018), doi: 10.1051/0004-6361/20183407A&A (2018), doi: 10.1051/0004-6361/201834076.

Total
23
Shares
23 Shares:
Перегляньте також
Астрофізика та твори Ван Гог
Далі

Унікальний інфрачервоний знімок центру нашої галактики нагадує картину Вінсента ван Гога

Астрономам вперше вдалось створити детальну карту магнітних полів, які оточують надмасивну чорну діру у центрі нашої галактики.