Формирование планет — это «гонка со временем»
Планетам во время своего формирования нужно захватить как можно больше газа из протопланетного диска, прежде чем он будет вытолкнут в космос.
Об этом сообщают в Университете Аризоны, передают OstanniPodii.com.
Сегодня наша Солнечная система — достигшая зрелого возраста в 4,5 миллиарда лет — представляет собой преимущественно пустое пространство, усеянное несколькими планетами, астероидами и кометами. Однако в первые несколько миллионов лет существования Солнечной системы она представляла собой густую, бурлящую массу, содержавшую в 100 раз больше газа, чем пыли.
Чтобы лучше понять, как и когда такие огромные объемы газа исчезли из диска Солнечной системы и других подобных систем, аспирант Лаборатории исследования планет и спутников Университета Аризоны Наман Баджадж изучил архивные данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). В рамках одного из крупнейших исследований формирования планет, проведенных с помощью JWST, эта работа подтверждает результаты предыдущих исследований, свидетельствующих о существовании двух физических механизмов, действовавших последовательно в течение первых 10 миллионов лет существования Солнечной системы. Это исследование также определяет, когда происходит переход между доминирующими механизмами. Результаты работы были опубликованы в журнале «Astronomical Journal».
Все начинается с новорожденной звезды, окруженной плотным протопланетным диском, который обладает собственным огромным магнитным полем. Газ из диска движется вдоль линий магнитного поля. Он направляется вверх и наружу из «пупка» Солнечной системы со скоростью 16–160 километров в секунду. Этот утекающий газ называют «магнитными ветрами», и он настолько массивен, что блокирует попадание в диск всех рентгеновских фотонов — высокоэнергетического света.
Однако через несколько миллионов лет магнитные ветры ослабевают. Результаты нового исследования свидетельствуют, что на этом этапе доминирующей силой становятся так называемые «фотоиспарительные ветры». Состоящий из энергичного рентгеновского излучения и ультрафиолетового света от звезды, фотоиспарительный ветер проникает сквозь магнитные ветры, возбуждает газ в диске и выталкивает его из системы.
Баджадж любит сравнивать этот процесс с тем, как энергия Солнца нагревает воду на Земле и испаряет её.
«Через несколько миллионов лет струи исчезают, а молекулярные ветры стихают, оставляя после себя лишь более мягкие атомные ветры, которые тихо размывают то, что осталось», — сказал Баджадж. «Это означает, что каждая планетная система с звездой, похожей на Солнце, включая нашу собственную, вероятно, в начале своей истории пережила бурную фазу потери массы под действием магнитных ветров, прежде чем перейти к более спокойной фазе рассеивания.
«Поэтому формирование планет — это гонка со временем», — добавляет он. «Газовые гиганты, такие как Юпитер, должны сформировать свои массивные атмосферы, пока диск ещё достаточно велик, чтобы обеспечить их газом, — до того, как ветры и струи вынесут это сырьё в космос».
Результаты были основаны на 72 изображениях молодых звёзд, похожих на Солнце, и дисков вокруг них. Каждое изображение фиксировало систему на различной стадии её существования, поэтому когда снимки были соединены, словно кадры из фильма, образовалась хронологическая последовательность того, как планетные системы теряют сырьё для формирования планет.
Данные по каждой системе позволили команде проследить движение двух конкретных газов: молекулярного водорода, состоящего из двух соединенных атомов водорода, и ионизированного, то есть электрически заряженного, неона.
Они сосредоточились на молекулярном водороде, поскольку он составляет большую часть массы во Вселенной, а также потому, что предыдущие исследования показали, что по нему можно отслеживать молекулярные ветры. Неон, с другой стороны, может быть обнаружен среднеинфракрасными детекторами JWST только в ионизированном состоянии, то есть когда он возбуждается высокоэнергетическим излучением в фотоиспарительном ветре.
«Сначала по неону прослеживаются быстро движущиеся струи, тогда как молекулярный водород позволяет проследить более широкие ветры. Позже мы наблюдаем неон в более медленном и широком движении фотоиспарительного ветра, когда магнитные струи и ветры ослабевают, и рентгеновские фотоны могут возбуждать неон», — рассказывает Баджадж. «Во время этой фазы за молекулярным водородом, похоже, прослеживаются более слабые ветры или вообще ничего».
В 2020 году было проведено аналогичное исследование, чтобы понять, как эволюционируют струи и ветры. В то время, до запуска JWST, исследователи не могли непосредственно наблюдать молекулярный водород, но предсказали существование молекулярных ветров и то, что эти ветры могут быть достаточно массивными, чтобы блокировать рентгеновские фотоны на ранних стадиях. В этом новом исследовании, непосредственно отслеживая молекулярный водород, эти прогнозы были подтверждены с помощью снимков JWST.
Рассматривая снимки, Баджаджа больше всего удивило то, насколько они были прекрасны. «Мы, конечно, ожидали, что снимки будут хорошими, но не думали, что они будут совершенно потрясающими», — сказал он. Далее команда надеется более точно определить, какая масса газа теряется со временем. Баджадж также хочет точно установить, на каком расстоянии от звезды газ вылетает из диска, что важно для понимания, на каком расстоянии могут образовываться определённые планеты. Среди других соавторов — ученые из Национального центра научных исследований Франции, Смит-колледжа, Цюрихского университета, Лейденского университета, Национальной научно-исследовательской лаборатории оптической и инфракрасной астрономии, Университета Висконсина-Мэдисона, Лестерского университета, Пекинского университета, Института SETI, NASA, Научного института космического телескопа.