Вчені отримують нове розуміння того, як формуються зірки та планети

У процесі формування молоді зірки чинять потужний вплив на своє оточення та створюють складні взаємодії між собою та середовищем. Поглинаючи газ і пил, вони утворюють обертовий диск матерії. Цей протопланетний диск є місцем формування планет, і нові дослідження показують, що зірки можуть харчуватися занадто швидко та зрештою викидати матерію назад у диск.

Завдяки ALMA ми маємо глибше розуміння протопланетних дисків. Великий міліметрово-субміліметровий масив Атаками (ALMA) зробив знімки понад 100 з них. Він має кутову роздільну здатність, щоб вивчати ці диски та знаходити характерні прогалини, де, на думку астрономів, формуються молоді планети. До ALMA астрономи вважали ці молоді диски гладкими, але потужний радіотелескоп показав нам, що формування планет починається рано.

Завдяки спостереженням ALMA та іншим роботам, астрономи виявили розбіжності. Жодна теоретична модель не може пояснити розмір протопланетних дисків (PD) навколо зірок до головної послідовності (PMS). Ця «розбіжність у розмірі та масі протопланетного диска» ґрунтується на двох суперечливих спостереженнях. Спостереження ALMA показують, що площини потоку більші навколо масивніших зірок. Однак ці ж диски розсіюються набагато швидше, ніж навколо зірок з меншою масою. Це підкреслює парадокс: масивні зірки мають більші диски, але менше часу для формування планет.

Нове дослідження в журналі Nature Astronomy може мати рішення. Воно називається «Формування протопланетних дисків шляхом акреції Бонді-Хойла до головної послідовності». Провідним автором є Паоло Падоан, професор-дослідник Інституту космічних наук Барселонського університету (ICSUB). У нашому сучасному розумінні формування планет у дископодібній площині (ДП), ДП вважаються резервуарами з обмеженою масою, доступними для планет. Вони містять те, що залишається після колапсу газової хмари в протозоряне ядро. Це розуміння накладає серйозні обмеження на наші моделі еволюції диска та формування планет.

«Ми пропонуємо інший сценарій, у якому протопланетні диски зірок, що передують головній послідовності, в основному формуються шляхом акреції Бонді-Хойла з батьківської газової хмари», – пишуть автори. «Ми демонструємо, що акреція Бонді-Хойла може забезпечувати не лише масу, але й кутовий момент, необхідний для пояснення спостережуваного розміру протопланетних дисків».

Акреція Бонді-Хойла описує, як об’єкт акрецірує матерію під час руху через газ. Це розширення простої акреції Бонді, яка описує стаціонарний об’єкт, що акрецірує масу. У цьому випадку швидкість частинного потоку забезпечує рух. При акреції Бонді акреція матерії є сферичною та симетричною. При акреції Бонді-Хойла все складніше. Акреція не є ні сферичною, ні симетричною і навіть може створювати акреційний слід. У цій роботі акреція Бонді-Хойла означає, що молода зірка акреціює занадто багато матерії з оточення, і частина матерії повертається до фотодіода.

«Зірки народжуються групами або скупченнями у великих газових хмарах і можуть залишатися в цьому середовищі протягом кількох мільйонів років після свого народження», – сказав Падоан у прес-релізі.

«Після формування зірки її гравітація може захопити більше матеріалу з батьківської газової хмари, чого недостатньо для суттєвої зміни маси зірки, але достатньо для реструктуризації її диска. Щоб зрозуміти, яка маса може притягувати зірку з цією акрецією Бонді-Хойла, а також обертання та розмір диска, викликані новим матеріалом, необхідно змоделювати та зрозуміти деякі фундаментальні властивості хаотичного руху міжзоряного газу, відомого як турбулентність».

Дослідники використовували симуляції та аналітичні моделі, щоб дослідити цю турбулентність і з’ясувати, чи може вона пояснити розміри частинок темпераменту, виявлені ALMA. Це призвело до нового розуміння складних взаємодій, що оточують молоді зірки.

«Порівняння спостережуваних даних із симуляцій із реальними спостереженнями має вирішальне значення для перевірки симуляцій», — сказав дослідник та член команди ICUCB Велі-Матті Пелконен. «Однак симуляції дозволяють нам вийти за межі спостережуваних даних і охопити основні структури щільності, швидкості та магнітного поля, а також відстежити їх у часі. У цьому дослідженні, використовуючи дані симуляції, ми змогли показати, що акреція Бонді-Хойла відіграє важливу роль у пізніх стадіях зореутворення, збільшуючи час життя та резервуар маси протопланетних дисків».

Падіння чорних дір на протопланетну зорю є асиметричним, що має виражений вплив на протопланетний диск. Речовина, яка не стикається безпосередньо з диском, падає в слід, створюючи щільні нитки, а внутрішні частини, найближчі до зірки, падають назад на диск.

«Через досить високу щільність падаючого газу його вплив може бути сильно зосереджений на обмеженій області диска, викликаючи помітні збурення», – пишуть автори у своїй статті. «З іншого боку, через низьку щільність стовпчика такі філаменти можуть залишатися непоміченими». Це підкреслює, що ALMA, вправний у виявленні фотодіодних ділянок, не може бачити ці філаменти.

Інші дослідники виявили великомасштабні потоки, що живлять молодих тимчасових осіб, і ці результати узгоджуються з цим дослідженням. Молоді зірки, їхні диски та планети, що в них формуються, неминуче є складними системами, і це дослідження це підкреслює. Дослідження також показує, що нам є багато чого навчитися.

«Якщо майбутні спостереження підтвердять цей альтернативний сценарій, він вимагатиме суттєвого перегляду поточних моделей еволюції дисків та формування планет», — пишуть автори.

Ці деталі надзвичайно важко спостерігати та моделювати. Вчені досягнуть прогресу, оскільки суперкомп’ютери стануть потужнішими, а телескопи – вдосконалюватимуться разом з ними.

«Зі збільшенням обчислювальної потужності суперкомп’ютерів ми зможемо моделювати ще складніші фізичні процеси в симуляціях, що ще більше підвищить точність симуляцій», – сказав Пелконен. «У поєднанні з новими та потужними телескопами (такими як космічний телескоп Джеймса Вебба та ALMA, що здійснюють безпрецедентні спостереження за новоутвореними зірками), ці досягнення продовжуватимуть розширювати наше розуміння зореутворення».

Розуміння того, як формуються зірки та планети, є важливим напрямком досліджень в астрономії, і додаткова допомога вже на підході.

Майбутні телескопи, такі як Гігантський Магелланів телескоп, повинні дати астрономам краще уявлення про частинки сонячного світла (ПД) навколо зірок до головної послідовності. Його кутова роздільна здатність дозволить йому розрізняти структури в ПД, які неможливо виявити сучасними телескопами. Він матиме можливість відстежувати зміни в протопланетних дисках з часом, відкриваючи нове вікно в те, як формуються молоді зірки та планети. Джерело