Формування планет — це «перегони з часом»

Планетам під час свого формування потрібно захопити як можна більше газу з протопланетного диска, перш ніж він буде виштовхнутий у космос.

Про це розповідають в Університеті Аризони, передають OstanniPodii.com.

Сьогодні наша Сонячна система — яка досягла зрілого віку в 4,5 мільярда років — це переважно порожній простір, усіяний кількома планетами, астероїдами та кометами. Однак у перші кілька мільйонів років існування Сонячної системи вона була густою, бурливою масою, яка містила в 100 разів більше газу, ніж пилу.

Щоб краще зрозуміти, як і коли такі величезні обсяги газу зникли з диска Сонячної системи та інших подібних систем, аспірант Лабораторії дослідження планет і супутників Університету Аризони Наман Баджадж вивчив архівні дані космічного телескопа «Джеймс Вебб» (JWST). У рамках одного з найбільших досліджень формування планет, проведених за допомогою JWST, ця робота підтверджує результати попередніх досліджень, які свідчать про існування двох фізичних механізмів, що діяли послідовно протягом перших 10 мільйонів років існування Сонячної системи. Це дослідження також визначає, коли відбувається перехід між панівними механізмами. Результати роботи були опубліковані в журналі «Astronomical Journal».

Все починається з новонародженої зорі, оточеної щільним протопланетним диском, який має власне величезне магнітне поле. Газ із диска рухається вздовж ліній магнітного поля. Він направляється вгору й назовні з «пупка» сонячної системи зі швидкістю 16–160 кілометрів на секунду. Цей газ, що витікає, називають «магнітними вітрами», і він настільки масивний, що блокує потрапляння до диска всіх рентгенівських фотонів — високоенергетичного світла.

Однак через кілька мільйонів років магнітні вітри слабшають. Результати нового дослідження свідчать, що на цьому етапі панівною силою стають так звані «фотовипаровувальні вітри». Складаючись з енергійного рентгенівського випромінювання та ультрафіолетового світла від зорі, фотовипаровувальний вітер проникає крізь магнітні вітри, збуджує газ у диску та виштовхує його із системи.

Баджадж полюбляє порівнювати цей процес із тим, як енергія Сонця нагріває воду на Землі та випаровує її.

«Через кілька мільйонів років струмені зникають, а молекулярні вітри стихають, залишаючи після себе лише м’якші атомні вітри, які тихо розмивають те, що залишилося», — сказав Баджадж. «Це означає, що кожна планетна система із зорею, схожою на Сонце, включаючи нашу власну, ймовірно на початку своєї історії пережила бурхливу фазу втрати маси під дією магнітних вітрів, перш ніж перейти до спокійнішої фази розсіювання.

«Тому формування планет — це перегони з часом», — додає він. «Газові гіганти, такі як Юпітер, мусять сформувати свої масивні атмосфери, поки диск ще достатньо великий, щоб забезпечити себе газом, — до того, як вітри та струмені винесуть цю сировину у космос».

Результати ґрунтувалися на 72 зображеннях молодих зірок, схожих на Сонце, та дисків навколо них. Кожне зображення фіксувало систему на різній стадії її існування, тож коли знімки було з’єднано, наче кадри з фільму, утворилася хронологічна послідовність з тим, як планетні системи втрачають сировину для формування планет.

Дані щодо кожної системи дозволили команді простежити рух двох конкретних газів: молекулярного водню, що складається з двох з’єднаних атомів водню, та іонізованого, тобто електрично зарядженого, неону.

Вони зосередилися на молекулярному водні, оскільки він становить більшу частину маси у Всесвіті, також попередні дослідження показали, що за ним можна відстежити молекулярні вітри. Неон, з іншого боку, може бути виявлений середньоінфрачервоними детекторами JWST лише в іонізованому стані, тобто коли він збуджується високоенергетичним випромінюванням у фотовипаровувальному вітрі.

«Спочатку за неоном простежуються швидкорухомі струмені, тоді як молекулярний водень дозволяє простежити більш широкі вітри. Пізніше ми бачимо неон у повільнішому, ширшому русі фотовипаровувального вітру, коли магнітні струмені та вітри слабшають, і рентгенівські фотони можуть збуджувати неон», — розповідає Баджадж. «Під час цієї фази за молекулярним воднем, схоже що, простежуються слабші вітри або взагалі нічого».

У 2020 році було проведено подібне дослідження, щоб зрозуміти, як еволюціонують струмені та вітри. На той час, до запуску JWST, дослідники не могли безпосередньо спостерігати молекулярний водень, але передбачили існування молекулярних вітрів і те, що ці вітри можуть бути достатньо масивними, щоб блокувати рентгенівські фотони на ранніх стадіях. У цьому новому дослідженні, безпосередньо відстежуючи молекулярний водень, підтверджено ці прогнози за допомогою знімків JWST.

Розмірковуючи над знімками, Баджаджа найбільше здивувало те, наскільки вони були прекрасні. «Ми, звичайно, очікували, що знімки будуть гарними, але не думали, що вони будуть абсолютно приголомшливими», — сказав він.

Далі команда сподівається більш точно визначити, скільки маси газу втрачається з часом. Баджадж також хоче точно встановити, на якій відстані від зорі газ вилітає з диска, що важливо для розуміння, на якій відстані можуть утворюватися певні планети.

Серед інших співавторів — науковці з Національного центру наукових досліджень Франції, Сміт-коледжу, Цюрихського університету, Лейденського університету, Національної науково-дослідницької лабораторії оптичної інфрачервоної астрономії, Університету Вісконсіна-Медісона, Лестерського університету, Пекінського університету, Інституту SETI, NASA, Наукового інституту космічного телескопа.

• телескоп Вебба
• планетоутворення