«Уэбб» исследовал планеторазрушающие столкновения, подобные приведшему к образованию Луны

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба астрономы определили новый подкласс остаточных дисков, в которых чрезвычайно много теплой пыли находится вблизи звезды, в зоне, сопоставимой с той, где в нашей Солнечной системе вращаются каменистые планеты.

Об этом сообщают в НАСА, передают OstanniPodii.com.

Учёные предполагают, что на раннем этапе истории нашей Солнечной системы объект размером с Марс, получивший название «Тея», столкнулся с молодой Землёй, в результате чего огромные массы породы испарились и были выброшены в космос. Часть этого материала соединилась, образовав Луну.

То древнее, бурное столкновение изменило облик нашей родной планеты. Астрономы использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба для исследования класса молодых звездных систем, демонстрирующих признаки подобных потрясений, что дает подсказки относительно количества энергии, высвобожденной во время их столкновений. Полученные результаты дают представление о составе и эволюции этих хаотичных систем.

Результаты исследования были опубликованы 1 октября в «The Astrophysical Journal».

У звёзд окружающая среда меняется по мере их старения: сначала это молодой, богатый газом протопланетный диск, в котором могут формироваться планеты, а впоследствии он превращается в бедный газом остаточный диск. В течение срока своей миссии выведенный из эксплуатации космический телескоп НАСА «Спитцер» исследовал стадию остаточного диска и обнаружил подкласс, получивший название «экстремальные остаточные диски». Эти системы содержат чрезвычайно большое количество тёплой пыли вблизи звезды, в зоне, сопоставимой с той, где в нашей Солнечной системе вращаются каменные планеты. Команда астрономов под руководством Кейт Су из Института космических наук в Боулдере, штат Колорадо, исследовала эти интересные объекты с помощью телескопа Уэбба.

В отличие от теоретических прогнозов, согласно которым мы должны были бы наблюдать множество экстремальных остаточных дисков, наблюдения указывают на то, что такие среды редки. На основе данных, собранных на сегодняшний день, учёные оценивают, что лишь примерно 1 % молодых звёзд демонстрирует наблюдаемые признаки этой фазы, включая, возможно, нашу собственную Солнечную систему во время её формирования. Несмотря на их редкость, команде удалось собрать выборку из 21 экстремального остаточного диска, среди которых пять — из архивных данных «Спитцера» и 16 — из данных «Уэбба», причём 12 дисков были обнаружены впервые, а четыре из данных «Спитцера» — подвергнуты повторным наблюдениям.

«Это первый случай, когда мы собрали достаточное количество систем, чтобы по-настоящему понять этот подкласс, который мы называем экстремальными остаточными дисками», — сказал Су, главный автор статьи. «До появления Уэбба у нас была ограниченная информация. Мы знали, что они необычны и сильно отличаются от типичных холодных остаточных дисков, которые нам известны, таких как Вега и Фомальгаут. Теперь, когда у нас больше данных, мы можем точно определить, какое значение эти диски имеют для формирования и эволюции планет».

Команда подтвердила, что экстремальные остаточные диски обладают тремя ключевыми свойствами: более мелкие пылевые зерна, чем в протопланетных или классических остаточных дисках, высокую концентрацию тёплой пыли и нерегулярные колебания яркости — всё это было обнаружено с помощью спектров в среднем инфракрасном диапазоне, полученных телескопами «Уэбб» и «Спитцер».

Чтобы определить основной фактор, обусловливающий эти свойства, команда исследовала минералогический состав дисков. Они обнаружили, что их выборку можно разделить на диски, богатые кремнеземом, и диски, бедные кремнеземом. Вулканическое стекло, такое как обсидиан, является одним из примеров материала, богатого кремнеземом, встречающегося на Земле, тогда как минерал форстерит, бедный кремнеземом, выглядит как зеленые песчинки на некоторых пляжах Гавайев. Категория экстремального остаточного диска предоставляет информацию о типе столкновений, образующих обломки от удара, и может помочь объяснить его изменчивость в инфракрасной яркости.

«Для меня самым интересным было именно то, что с помощью телескопа Уэбба мы смогли увидеть их излучение в среднем инфракрасном диапазоне и прекрасные спектральные особенности, что позволило нам определить их состав», — сказала Агнес Коспал из обсерватории Конколи в Будапеште (Венгрия), соавтор исследования. «У нас нет другого способа непосредственно исследовать эти планетарные зародыши, поскольку они слишком малы».

Примерно треть их выборки богата кремнеземом, что свидетельствует о том, что эти диски образуются в результате высокоэнергетических столкновений между телами размером с Марс, во время которых значительная часть материала испаряется. Остальные две трети выборки бедны кремнеземом, что указывает на столкновения меньшего масштаба — например, касательные столкновения объектов размером с Луну. Диски, богатые кремнеземом, встречаются только вокруг звёзд возрастом до 300 миллионов лет, тогда как диски, бедные кремнеземом, сохраняются в широком диапазоне возрастных групп и часто демонстрируют большую изменчивость яркости. Команда учёных предполагает, что эта изменчивость обусловлена быстрой эволюцией свежих обломков вследствие изменений орбит и дополнительных столкновений.

Их выводы можно применить к нашей собственной Солнечной системе, которая, возможно, пережила более одной фазы экстремальных остаточных дисков.

«То, как образовались каменистые планеты и как эволюционировали гигантские планеты, является частью более широкой истории формирования Солнечной системы. Это все — одна история», — говорит Су. «Наша работа над экстремальными остаточными дисками помогает нам составить общую картину того, что мы сейчас понимаем».

Симуляции показывают, что планеты земного типа должны образовываться в течение первых нескольких сотен миллионов лет после формирования планетарной системы. Этот период совпадает с возрастом богатых кремнеземом экстремальных остаточных дисков, наблюдаемых на сегодняшний день, и согласуется с оценкой, согласно которой Земля и Луна образовались примерно через 100 миллионов лет после формирования Солнца, причём Луна, вероятно, является результатом столкновения Земли с объектом размером с Марс.

Что касается того, проходило ли наше Солнце фазу экстремального диска с низким содержанием кремнезема: если более древние диски с низким содержанием кремнезема и их случайные интервалы инфракрасной яркости действительно отражают орбитальную нестабильность, это в целом будет согласовываться с гипотезой о поздней интенсивной бомбардировке нашей Солнечной системы. Согласно этому сценарию, газовые гиганты мигрировали на значительные расстояния, гравитационно нарушая орбиты более мелких тел и вызывая катастрофические столкновения, которые породили кратковременные, богатые пылью фазы, наблюдаемые в экстремальных остаточных дисках.

«Конечно, есть много вещей, которых мы до сих пор не знаем об этих дисках», — сказал Аттила Мур из обсерватории Конколи, соавтор исследования. «Мы не ожидаем наличия систем, богатых кремнеземом, среди более старых экстремальных остаточных дисков. В нашей выборке всего три диска, соответствующих этим возрастным критериям, поэтому было бы хорошо наблюдать больше таких систем, чтобы подтвердить нашу гипотезу».

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — это ведущая в мире обсерватория для космических исследований. «Уэбб» разгадывает тайны нашей Солнечной системы, заглядывает за её пределы к отдалённым мирам вокруг других звёзд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в ней. «Уэбб» — это международная программа под руководством НАСА совместно с его партнерами: ЕКА (Европейским космическим агентством) и ККА (Канадским космическим агентством).