Разгадка формирования планетарных систем с дейтерием

Международная исследовательская группа с помощью Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового массива (ALMA) обнаружила распределение тяжелого водорода, или дейтерия, в местах образования планет в самом высоком разрешении из когда-либо достигнутых.

Это дает подсказки к пониманию физических и химических условий при формировании экзопланет, а также объектов Солнечной системы, рассказывают в Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).

"Разные тела нашей Солнечной системы имеют разнообразный химический состав", - говорит Юри Айкава, профессор Токийского университета. "Это многообразие может быть обусловлено различиями в химическом составе и физическом состоянии в местах их формирования. Таким образом, выявление химических вариаций в планетообразующих дисках имеет фундаментальное значение для изучения формирования планет".

Протопланетные диски вокруг молодых звезд содержат различные молекулы, каждая из которых излучает радиоволны определенной длины. В этом исследовании ученые использовали превосходное разрешение и чувствительность ALMA, чтобы понять физические и химические условия планетообразующих дисков.

Джанни Катальди, постдок Токийского университета и NAOJ, вместе с командой сосредоточились на дейтерии, тяжелом брате водорода, в протопланетных дисках. Хотя на каждые 100 000 атомов водорода приходится лишь один атом дейтерия, известно, что в некоторых молекулах это соотношение выше. Это обогащение дейтерием может быть использовано в качестве следа для определения того места, где образовался объект на диске.

Команда проанализировала данные ALMA и измерила пространственное распределение коэффициента содержания дейтерия в протопланетных дисках. Они обнаружили, что коэффициенты содержания дейтерия отличаются примерно в 100 раз между различными местами в пределах одного диска, причем коэффициент содержания дейтерия становится меньшим ближе к центральной звезде.

"Считается, что за обогащение дейтерием отвечают две основные реакции, одна из них активна в очень низкотемпературных регионах, а другая остается эффективной даже в относительно теплых регионах. Наши наблюдения показывают, что обе играют важную роль в дисках", - говорит Катальди.

Сравнение коэффициентов содержания дейтерия, наблюдаемые на протопланетных дисках, с показателями объектов Солнечной системы может предоставить информацию о происхождении этих объектов. Например, коэффициент содержания дейтерия в молекулах HCN был измерен для кометы Хейла-Боппа, которая приблизилась к Солнцу около 1997 г. и ее хорошо видно с Земли. Значение для кометы Хейла-Боппа было меньше, чем в этот раз измеренное на протопланетных дисках.

"Это может свидетельствовать о том, что комета Хейла-Боппа образовалась во внутренней части диска, близко к молодому Солнцу (в пределах 30 а.е.)", - говорит Йошихиде Ямато, аспирант Токийского университета и соавтор научной работы. "Другая возможность заключается в том, что молекулы HCN в комете образовались из льдов, которые конденсировались из газового облака на гораздо более ранней стадии формирования диска, и на них не повлияло обогащение дейтерием на диске".

Эти наблюдения являются частью большой программы ALMA, "Молекулы с ALMA в масштабах планетообразования" (англ. "Molecules with ALMA at Planet-forming Scales"), или MAPS, для выявления радиоволн, излучаемых молекулами в протопланетных дисках, с высоким пространственным разрешением. В рамках этой программы исследователи наблюдали протопланетные диски вокруг пяти молодых звезд – IM Lupi, GM Aurigae, AS 209, HD 163296 и MWC 480 – с помощью ALMA, чтобы сделать вывод о распределении примерно 20 молекул, включая дейтерированные молекулы, такие как DCN и N2D+.

"С помощью ALMA мы смогли увидеть, как молекулы распределяются там, где собираются экзопланеты", - сказала Карин Оберг, астроном из Гарвард-Смитсоновского Центра астрофизики (CfA) и главный исследователь MAPS. "Одна из действительно увлекательных вещей, которые мы увидели, это то, что планетообразующие диски вокруг этих пяти молодых звезд являются фабриками особого класса органических молекул, так называемых нитрилов, которые имеют отношение к зарождению жизни здесь, на Земле".

Ученые также наблюдали сложные органические молекулы, такие как HC3N, CH3CN и c-C3H2; примечательно, что они содержат углерод, и поэтому, скорее всего, будут выступать в качестве исходного сырья больших добиотических молекул. Хотя эти молекулы были обнаружены в протопланетных дисках ранее, MAPS – это первое систематическое исследование на нескольких дисках с очень высоким пространственным разрешением и чувствительностью, и первое исследование, в котором эти молекулы были обнаружены в таких значительных количествах на малых масштабах.

"Мы обнаружили больше крупных органических молекул, чем ожидалось, в 10-100 раз больше, находящихся во внутренних дисках в масштабах Солнечной системы, и их химия похожа на химию комет Солнечной системы", - сказал Джон Айли, астроном из Лидского университета и ведущий автор работы с MAPS. "Присутствие этих больших органических молекул имеет большое значение, поскольку они являются ступенями между простыми молекулами на основе углерода, такими как окись углерода, которых много в космосе, и сложными молекулами, необходимыми для создания и поддержания жизни".

Айкава и команда MAPS также определили пространственное распределение ионизированных молекул в дисках. Они обнаружили, что ионизированные молекулы менее распространены в области внутри радиуса 100 а.е. в дисках. Если газ в диске ионизирован, он более чувствителен к магнитным полям, что может привести к оттоку газа или, наоборот, позволить газу поступать к центральной звезде, что значительно влияет на рост звезд и планет. Наблюдения также дают предположение, что скорость ионизации в средней плоскости диска может варьироваться от объекта к объекту, что указывает на то, что физические условия планетообразующих дисков достаточно сложные.

"Я считаю, что мы сможем приблизиться к тайне процесса формирования нашей Солнечной системы путем объединения наблюдений за протопланетными дисками с помощью ALMA, наблюдений и анализа материала Солнечной системы, а также предсказаний, основанных на теоретических исследованиях", - резюмирует Айкава.

Результаты наблюдений были представлены в специальном выпуске Astrophysical Journal Supplement, посвященном MAPS.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.