Вчені пояснили, як формувалися планети в ранньому Всесвіті

Космічний телескоп НАСА імені Джеймса Вебба розгадав давню таємницю, підтвердивши суперечливе відкриття, зроблене понад 20 років тому за допомогою космічного телескопа Хаббла. У 2003 році Хаббл знайшов докази існування масивної планети, яка обертається навколо дуже старої зірки – зірки настільки стародавньої, що містила дуже мало важких елементів, будівельних блоків планет. 

Ця знахідка спантеличила вчених. Як планета, особливо більша за Юпітер, могла сформуватися за таких умов у ранньому Всесвіті? Щоб розгадати цю таємницю, дослідники звернулися до Вебба, який вивчав зірки в сусідній галактиці з хімічним складом, подібним до раннього Всесвіту. 

Диски, що утворюють планети в ранньому Всесвіті 

Те, що вони знайшли, змінило уявлення вчених про формування планет. Мало того, що деякі з цих зірок мали планетоутворювальні диски, але ці диски також проіснували набагато довше, ніж те, що зазвичай спостерігається у молодих зірок у Чумацькому Шляху.

«З Веббом ми маємо справді вагоме підтвердження того, що ми бачили з Хабблом, і ми повинні переосмислити, як ми моделюємо формування планет і ранню еволюцію в молодому Всесвіті», — пояснив керівник дослідження Гвідо Де Марчі, астрофізик з European Space Research і Технологічний центр.

Ранній Всесвіт: вороже місце для планет?

У ранньому Всесвіті зірки формувалися здебільшого з водню та гелію, з дуже малою кількістю важких елементів, таких як вуглець і залізо. Ці більш важкі елементи, які походять від вибухів наднових, з’явилися пізніше в космічній історії. Сучасні моделі формування планет припускають, що без значної кількості цих елементів газові та пилові диски навколо молодих зірок швидко розсіються – надто швидко для формування планет.

«Поточні моделі передбачають, що з такою невеликою кількістю важких елементів диски навколо зірок мають короткий час життя, настільки короткий, що планети не можуть вирости великими», — сказала Олена Саббі, один із дослідників дослідження Вебба та головний науковий співробітник обсерваторії Джеміні. «Але Хаббл бачив ці планети, то що, якби моделі були неправильними і диски могли б жити довше?»

Щоб дослідити це, команда зосередила Вебба на Малій Магеллановій Хмарі, карликовій галактиці поблизу Чумацького Шляху.  Зокрема, вони досліджували NGC 346, масивне зореутворююче скупчення в галактиці. NGC 346 має такий же низький вміст важких елементів, що робить його ідеальним замінником для умов раннього Всесвіту.

«Це було інтригуюче, але без способу отримати спектри цих зірок ми не могли насправді встановити, чи були ми свідками справжньої акреції та присутності дисків, чи просто якихось штучних ефектів», — сказав Де Марчі.

Тепер неймовірна чутливість і роздільна здатність Вебба забезпечили перші в історії спектральні дані для сонцеподібних зірок у NGC 346 разом із їхнім оточуючим середовищем. Вперше вчені змогли побачити, що ці зірки дійсно були оточені планетоутворюючими дисками і все ще активно накопичували матеріал, навіть коли їм було 20-30 мільйонів років.

«Ми бачимо, що ці зірки дійсно оточені дисками і все ще знаходяться в процесі поглинання матеріалу, навіть у відносно старому віці 20 або 30 мільйонів років», — пояснив Де Марчі. «Це також означає, що планети мають більше часу для формування та зростання навколо цих зірок, ніж у сусідніх регіонах зореутворення в нашій власній галактиці».

Переосмислення моделей формування планет

Це відкриття ставить під сумнів теоретичні прогнози про те, що зірки з дуже малою кількістю важких елементів швидко втратять свої планетоутворювальні диски.  Якщо тиск випромінювання від молодої зірки відповідає за розсіювання її диска, процес має бути швидшим, коли в газі відсутні більш важкі елементи. Іншими словами, диск зникне раніше, ніж утворяться планети.

Планетоутворюючі диски, які не виправдали очікувань

Спостереження Хаббла за NGC 346 на початку 2000-х показали щось дивовижне: зірки віком від 20 до 30 мільйонів років все ще мали планетоутворювальні диски. 

Це суперечило усталеній думці про те, що такі диски повинні розсіюватися протягом двох-трьох мільйонів років. У той час знахідки були суперечливими та не мали спектральних даних, щоб підтвердити, чи справді диски були присутні. Однак висновки Вебба показують, що диски в таких середовищах, як NGC 346, набагато стійкіші, ніж очікувалося.

Команда запропонувала два пояснення того, чому диски служать довше. Однією з можливостей є те, що радіаційний тиск, який здуває матеріал диска, залежить від присутності в газі більш важких елементів. 

Оскільки NGC 346 містить лише близько 10% важких елементів, знайдених у нашому Сонці, зіркам може просто знадобитися більше часу, щоб розсіяти свої диски. Друге пояснення полягає в тому, що зірки, що утворюються в цих середовищах, починаються з більших хмар газу. Більша газова хмара створює більший диск, і більша маса, природно, потребує більше часу, щоб розсіятися, навіть за того самого тиску випромінювання.

«Чим більше матерії навколо зірок, акреція триває довше», — сказав Саббі. «Дискам потрібно в десять разів більше часу, щоб зникнути. Це впливає на те, як ви формуєте планету, і тип архітектури системи, яку ви можете мати в цих різних середовищах. Це так захоплююче».

Всесвіт, повний сюрпризів

Дослідження підкреслює, як середовища з невеликою кількістю важких елементів, які раніше вважалися ворожими для формування планет, все ще можуть підтримувати ріст масивних планет. Спостереження Вебба дозволяють зазирнути в ранній Всесвіт, показуючи, що планетоутворювальні диски в давніх умовах не тільки існують, але й зберігаються набагато довше, ніж очікувалося.

Дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, відкриває нову главу в нашому розумінні формування планет. Кинувши під сумнів давні моделі, Вебб показав, що Всесвіт, можливо, створював планети набагато раніше та в набагато суворіших умовах, ніж передбачалося раніше. Оскільки Де Марчі та його команда продовжують вивчати ці пружні диски, відкриття обіцяють змінити те, як вчені бачать еволюцію планет — і життя — у космосі.