Телескоп James Webb зафіксував останні стадії формування планети

Скільки часу потрібно планетам, щоб утворитися із закрученого диска газу та пилу навколо зірки? Нове дослідження під керівництвом Університету Арізони дає вченим краще уявлення про те, як виникла наша Сонячна система.

Вчені вважають, що такі планетарні системи, як наша Сонячна система, містять більше кам’янистих об’єктів, ніж багатих газом. До них належать внутрішні планети навколо нашого Сонця – Меркурій, Венера, Земля та Марс – пояс астероїдів і об’єкти поясу Койпера, такі як Плутон.

З іншого боку, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун містять переважно газ. Але вченим також давно відомо, що диски, що формують планети, спочатку мають у 100 разів більшу масу газу, ніж тверді тіла, що призводить до актуального питання: коли і як більша частина газу залишає планетну систему, що зароджується?

Розкриття секретів планетарного диска

Нове дослідження під керівництвом Намана Баджаджа з Місячно-планетарної лабораторії Університету Арізони, опубліковане в Astronomical Journal, дає відповіді. Використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба, або JWST, команда отримала зображення такої новонародженої планетарної системи – також відомої як навколозоряний диск – у процесі активного розсіювання газу в навколишньому просторі.

«Знати, коли газ розсіюється, важливо, оскільки це дає нам краще уявлення про те, скільки часу мають газоподібні планети, щоб споживати газ із навколишнього середовища», — сказав Баджай, студент другого курсу докторантури Місячно-планетарної лабораторії університету Аризони. «Завдяки безпрецедентним поглядам на ці диски, що оточують молоді зірки, місця народження планет, JWST допомагає нам дізнатися, як формуються планети».

Процес формування планет

За словами Баджаджа, на дуже ранніх стадіях формування планетної системи планети об’єднуються в обертовий диск газу та крихітного пилу навколо молодої зірки. Ці частинки злипаються разом, утворюючи все більші й більші шматки, які називаються планетезималями. З часом ці планетезималі стикаються і злипаються, утворюючи планети. Тип, розмір і розташування планет, що утворюються, залежать від кількості доступного матеріалу та того, як довго він залишається на диску.

«Отже, коротко кажучи, результат формування планети залежить від еволюції та розповсюдження диска», — сказав Баджай.

В основі цього відкриття лежить спостереження T Cha, молодої зірки – відносно Сонця, вік якої становить приблизно 4,6 мільярда років – огорнутої ерозійним навколозоряним диском, що характеризується величезним пиловим проміжком, що охоплює приблизно 30 астрономічних одиниць, або au, де один au є середньою відстанню між Землею та Сонцем.

Баджадж і його команда вперше змогли зобразити вітер диска, як називають газ, коли він повільно залишає диск, що формує планети. Астрономи скористалися перевагами чутливості телескопа до світла, випромінюваного атомом, коли високоенергетичне випромінювання – наприклад, у світлі зірок – відриває один або кілька електронів від його ядра. Це відоме як іонізація, і світло, що випромінюється в процесі, можна використовувати як свого роду хімічний «відбиток» — у випадку системи T Cha, відстежуючи два благородні гази, неон і аргон. Спостереження також знаменують собою перший випадок, коли подвійна іонізація аргону була виявлена ​​в планетоутворюючому диску, пише команда в статті.

«Неоновий підпис на наших зображеннях говорить нам про те, що вітер диска виходить із розширеної області від диска», — сказав Баджадж. «Ці вітри можуть керуватися або високоенергетичними фотонами – по суті, світлом, що витікає від зірки, – або магнітним полем, яке пронизує планетоутворюючий диск».

Зоряні впливи та диски, що розвиваються

Намагаючись відрізнити їх, та сама група, цього разу під керівництвом Ендрю Селлека, доктора наук з Лейденського університету в Нідерландах, виконала моделювання розсіювання, спричиненого зірковими фотонами, інтенсивним світлом, що струмує від молодої зірки. Вони порівняли ці симуляції з реальними спостереженнями та виявили, що розсіювання високоенергетичних зоряних фотонів може пояснити спостереження, а отже, не можна виключити як можливість. У цьому дослідженні було зроблено висновок, що кількість газу, що розсіюється з диска T Cha щороку, еквівалентна кількості газу, що виділяється супутником Землі. Ці результати будуть опубліковані в супровідній статті, яка зараз розглядається в Astronomical Journal.

Незважаючи на те, що неонові сигнатури були виявлені в багатьох інших астрономічних об’єктах, не було відомо, що вони походять від планетоутворюючих дисків з малою масою, поки в 2007 році вперше не виявила Іларія Паскуччі, професор LPL, який незабаром ідентифікував їх як трасувальник дискових вітрів. Ці перші відкриття змінили дослідницькі зусилля, спрямовані на розуміння розсіювання газу з навколозоряних дисків. Паскуччі є головним дослідником останнього проекту спостережень і співавтором публікацій, про які тут йдеться.

«Наше відкриття випромінювання неону з просторовою роздільною здатністю — і перше виявлення подвійного іонізованого аргону — за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба може стати наступним кроком до трансформації нашого розуміння того, як газ очищається з планетоутворюючого диска», — сказав Паскуччі. «Це розуміння допоможе нам отримати краще уявлення про історію та вплив на нашу власну Сонячну систему».

Крім того, група також виявила, що внутрішній диск T Cha розвивається за дуже короткі часові шкали десятиліть; вони виявили, що спектр, який спостерігав JWST, відрізняється від попереднього спектру, виявленого Спітцером. За словами Ченьян Се, докторанта другого курсу LPL, який веде цю незавершену роботу, цю невідповідність можна пояснити невеликим асиметричним диском усередині T Cha, який втратив частину своєї маси за короткі 17 років, що між двома спостереженнями.

«Поряд з іншими дослідженнями це також натякає на те, що диск T Cha знаходиться в кінці своєї еволюції», — сказав Се. «Ми могли б стати свідками розсіювання всієї маси пилу у внутрішньому диску T Cha протягом нашого життя».