Небесні кладовища показують, що зірки та планети ростуть разом

Астрономи виявили, що формування планет у нашій молодій Сонячній системі почалося набагато раніше, ніж вважалося раніше, причому будівельні блоки планет росли одночасно з їхньою материнською зіркою. Згідно з дослідженням деяких найстаріших зірок у Всесвіті, будівельні блоки таких планет, як Юпітер і Сатурн, ймовірно, починають формуватися під час росту молодої зірки. Раніше вважалося, що планети утворюються лише тоді, коли зірка досягає свого остаточного розміру, але нові результати, опубліковані в журналі Nature Astronomy, показують, що зірки та планети «ростуть» разом.

Дослідження під керівництвом Кембриджського університету змінює наше розуміння того, як утворилися планетарні системи, включно з нашою Сонячною системою, потенційно вирішуючи головну загадку в астрономії.

«Ми маємо досить гарне уявлення про те, як формуються планети, але одне невирішене питання, яке у нас виникло, це коли вони утворюються: чи формування планет починається рано, коли батьківська зірка ще росте, чи через мільйони років?» сказала доктор Емі Бонсор з Кембриджського інституту астрономії, перший автор дослідження.

Щоб спробувати відповісти на це запитання, Бонсор та її колеги досліджували атмосфери зірок білих карликів – стародавніх слабких залишків зірок, подібних до нашого Сонця, – щоб дослідити будівельні блоки формування планет. У дослідженні також брали участь дослідники з Оксфордського університету, Університету Людвіга-Максиміліана в Мюнхені, Університету Гронінгена та Інституту дослідження сонячної системи Макса Планка в Геттінгені.

«Деякі білі карлики є дивовижними лабораторіями, тому що їхня тонка атмосфера майже схожа на небесні кладовища», — сказав Бонсор.

Зазвичай внутрішня частина планет недоступна для телескопів. Але особливий клас білих карликів, відомий як «забруднені» системи, містить важкі елементи, такі як магній, залізо та кальцій, у своїй зазвичай чистій атмосфері. Ці елементи, мабуть, походять від малих тіл, таких як астероїди, що залишилися після формування планет, які врізалися в білих карликів і згоріли в їхній атмосфері. У результаті спектроскопічні спостереження за забрудненими білими карликами можуть досліджувати нутрощі цих розірваних астероїдів, даючи астрономам пряме уявлення про умови, в яких вони утворилися.

Вважається, що формування планети починається в протопланетному диску, який складається переважно з водню, гелію та крихітних частинок льоду та пилу, який обертається навколо молодої зірки. Відповідно до сучасної провідної теорії про те, як утворюються планети, частинки пилу прилипають одна до одної, зрештою утворюючи все більші й більші тверді тіла. Деякі з цих великих тіл продовжуватимуть зрощуватися, перетворюючись на планети, а деякі залишаться астероїдами, як ті, що врізалися в білих карликів у поточному дослідженні.

Дослідники проаналізували спектроскопічні спостереження в атмосферах 200 забруднених білих карликів із сусідніх галактик. Згідно з їхнім аналізом, суміш елементів, яку можна побачити в атмосферах цих білих карликів, можна пояснити, лише якщо багато вихідних астероїдів колись розплавилися, що спричинило занурення важкого заліза в ядро, а легші елементи плавали на поверхні. Цей процес, відомий як диференціація, є причиною того, що Земля має багате залізом ядро.

«Причину танення можна пояснити лише дуже коротко живучими радіоактивними елементами, які існували на ранніх стадіях планетарної системи, але розпадаються лише за мільйон років», — сказав Бонсор. «Іншими словами, якщо ці астероїди були розплавлені чимось, що існувало лише дуже короткий час на зорі планетної системи, тоді процес утворення планет повинен початися дуже швидко».

Дослідження показує, що картина раннього формування, ймовірно, правильна, тобто Юпітер та Сатурн мали достатньо часу, щоб вирости до своїх нинішніх розмірів.

«Наше дослідження доповнює зростаючий консенсус у цій галузі щодо того, що формування планет почалося рано, коли перші тіла формувалися одночасно із зіркою», — сказав Бонсор. «Аналіз забруднених білих карликів говорить нам, що цей радіоактивний процес плавлення є потенційно повсюдним механізмом, який впливає на формування всіх позасонячних планет.

«Це тільки початок — кожного разу, коли ми знаходимо нового білого карлика, ми можемо збирати більше доказів і дізнаватися більше про те, як формуються планети. Ми можемо простежити такі елементи, як нікель і хром, і сказати, яким розміром мав бути астероїд, коли він утворив залізне ядро. Дивно, що ми можемо досліджувати такі процеси в екзопланетних системах».