Астрономи виявили приховані планетоформувальні структури у найменших дисках

Завдяки надзвичайно високій роздільній здатності радіотелескопа ALMA виявлено кільця, прогалини та порожнини в надзвичайно компактних дисках навколо молодих зірок, що свідчить про те, що багато невеликих дисків могли здаватися гладкими просто тому, що їхні деталі були занадто дрібними для розрізнення.

Про це повідомляється на сайті обсерваторії ALMA, передають OstanniPodii.com.

Деякі з найдивніших зображень, отриманих за допомогою Атакамської великої міліметрової/субміліметрової решітки (ALMA), показують молоді зорі, оточені широкими газовими та пиловими дисками, розділеними на складні кільця та прогалини. Ці структури можуть утримувати тверду речовину та, ймовірно, позначають місця, де починають формуватися планети.

Однак астрономи здебільшого спостерігали ці дивовижні структури у великих, яскравих дисках. Набагато менші диски часто здавалися гладкими та відносно одноманітними, що порушувало питання: чи еволюціонують вони інакше — чи їхні структури просто були занадто дрібними, щоб їх можна було розрізнити.

Тепер, використовуючи ALMA в конфігурації з максимально розширеним масивом антен, астрономи спостерігали 11 надзвичайно компактних протопланетних дисків у зоні зореутворення «Вовк», що у південній півкулі неба. Спостереження, проведені в діапазоні 7 ALMA на довжині хвилі близько 0,9 міліметра, дозволили досягти кутової роздільної здатності приблизно 0,02 кутової секунди. На відстані до зони «Вовк» це відповідає масштабам близько двох астрономічних одиниць, або вдвічі більшій за середню відстань між Землею та Сонцем. Це найвища кутова роздільна здатність, доступна зараз за допомогою ALMA на цій довжині хвилі.

За такої роздільної здатності кілька дисків, які раніше здавалися простими, почали розкривати приховані деталі. Дослідники виявили чіткі підструктури в межах 10 астрономічних одиниць від центральної зорі у чотирьох з 11 дисків і знайшли ознаки подібних особливостей у ще трьох. В одній системі, Sz 112, ALMA розрізнила центральну порожнину, що простягається лише на 1,6 астрономічних одиниць від зорі.

«Довгий час найменші диски здавалися набагато простішими, ніж великі, дивовижні диски, які ALMA зробила знаменитими. Ми виявили, що принаймні частина цієї різниці була ілюзією, спричиненою роздільною здатністю», — пояснює керівник дослідження П’єтро Куроне з Центру астрофізики та пов’язаних технологій та Університету Чилі. «Коли ми наближаємо зображення достатньо, навіть у цих крихітних системах починають з’являтися кільця, прогалини та порожнини».

Ці результати свідчать про те, що компактні диски, можливо, не є принципово іншим типом середовища, у якому формуються планети. Натомість багато з них можуть містити ті самі типи структур, що й у більших дисках, але стиснуті в області діаметром усього кілька астрономічних одиниць.

Це особливо важливо, оскільки області, вивчені в рамках цього дослідження, набагато ближчі до орбітальних масштабів багатьох відомих планетних систем. Попередні обстеження ALMA з високою роздільною здатністю в основному дозволили розрізнити структури на відстанях від декількох до десятків астрономічних одиниць від їхніх зірок. Проте багато екзопланет виявляються на набагато ближчих дистанціях. Отже, компактні диски дають змогу досліджувати формування планет у регіонах, які більш тісно перетинаються з місцями, де зрештою знаходяться багато планет.

«Головним питанням для нас було: чи дійсно малі диски не мають структури, чи їхні особливості просто виходили за межі нашої роздільної здатності», — пояснює співавтор дослідження Гійс Мулдерс з Папського католицького університету Чилі. «Щоб відповісти на це питання, ми порівняли нові спостереження компактних дисків з попередніми дослідженнями ALMA, присвяченими дискам, у яких формуються планети».

Порівняння виявило сильну залежність від того, наскільки добре було розрізнено диск. Серед дисків, спостережуваних з достатньою роздільною здатністю для надійного виявлення структури, підструктури були виявлені приблизно у 44 % надзвичайно компактних дисків з радіусами від 3 до 10 астрономічних одиниць та приблизно у 55 % дисків з радіусами від 10 до 30 а.о. Для дисків, розміри яких перевищують 30 а.о., частота виявлення перевищує 90 %.

Цей результат свідчить про те, що раніше зафіксована рідкість кілець і прогалин у малих дисках була зумовлена, принаймні частково, недостатньою кутовою роздільною здатністю, а не їхньою справжньою відсутністю.

«Це хороший приклад того, як змінюється картина, коли ми отримуємо вищу роздільну здатність. Диск, який здається гладким з великої відстані, може мати багату внутрішню структуру, щойно ми зможемо розрізнити об’єкти, віддалені один від одного лише на кілька астрономічних одиниць», — каже співавторка Лаура Перес з Університету Чилі.

Ці структури мають важливе значення, оскільки пил у протопланетному диску не залишається просто там, де він утворився. Тверді частинки, як правило, втрачають кутовий момент і дрейфують всередину, до зорі. Без певного механізму, що сповільнює цю міграцію, зерна розміром у міліметр могли б зникнути із зовнішньої частини диска набагато швидше, ніж триває сам диск.

Кільця та прогалини можуть свідчити про зміни тиску газу, які утримують ці частинки. Уповільнюючи або зупиняючи їх дрейф до центру, ці «пастки тиску» можуть зберігати скупчення твердого матеріалу та створювати сприятливі умови для формування планет.

«Наші нові спостереження за допомогою ALMA свідчать, що такі пастки можуть існувати лише за кілька астрономічних одиниць від молодих зірок, навіть у надзвичайно компактних дисках», — каже співавтор Нінке ван дер Марел з Лейденської обсерваторії. «Одним з можливих пояснень деяких нещодавно виявлених прогалин є те, що їх створили молоді планети».

Дослідники оцінили, які типи планет могли б утворити спостережувані структури, якби кожну прогалину спричиняла окрема планета. Для структур у межах п’яти астрономічних одиниць необхідні маси відповідають діапазону, пов’язаному із суперземлями та мінінептунами. Ці можливі планети займали б область маси планет та орбітальної відстані, яку важко дослідити як за допомогою сучасних обстежень екзопланет, так і спостережень дисків, зосереджених на значно більших орбітальних масштабах.

«Якщо за деякі з цих прогалин відповідають планети, ми, можливо, бачимо ознаки відносно маломасивних планет, які ще формуються, на орбітальних відстанях, до яких раніше було дуже важко дістатися», — додає Куроне.

Команда застерігає, що кільця, прогалини та порожнини самі по собі не є прямим виявленням планет. Існує кілька фізичних механізмів, що можуть створювати структури в протопланетних дисках, і нинішні спостереження не виключають повністю непланетарних пояснень. Автори вважають, що планетарне походження узгоджується зі структурами, виявленими в кількох дисках, але потрібні подальші спостереження, щоб визначити, що саме їх утворює.

Спостереження також виявили ще одну несподіванку. Дві з, на перший погляд, компактних систем — Sz 73 та Sz 130 — мають тьмяні кільця, що простягаються далеко за межі їхніх яскравих центральних дисків. Ще чотири системи демонструють попередні ознаки подібного зовнішнього випромінювання. Це підвищує ймовірність того, що деякі диски, класифіковані як дуже малі, можуть містити більш розширену матерію, яка залишалася прихованою через свою слабку яскравість.

У сукупності ці результати вказують на більш цілісну картину протопланетних дисків. Великі та компактні диски можуть мати багато спільних основних структур і фізичних процесів, а головна відмінність полягає у масштабах, у яких вони відбуваються.

Розрізняючи об’єкти розміром усього в кілька астрономічних одиниць, ALMA починає заповнювати прогалину між спостереженнями дисків, у яких формуються планети, та архітектурою зрілих планетних систем. Майбутні спостереження більш компактних дисків з високою роздільною здатністю, на різних довжинах хвиль та з використанням індикаторів як пилу, так і газу, допоможуть визначити, наскільки поширені ці приховані структури та чи справді вони позначають місця формування планет, які зрештою виникнуть з них.

• планетоутворення
• ALMA