Розгадка формування планетарних систем з дейтерієм

Міжнародна дослідницька група за допомогою Атакамського великого міліметрового/субміліметрового масиву (ALMA) виявила розподіл важкого водню, або дейтерію, в місцях утворення планет у найвищій роздільній здатності з коли-небудь досягнутих.

Це надає підказки до розуміння фізичних та хімічних умов під час формування екзопланет, а також об’єктів Сонячної системи, розповідають у Національній астрономічній обсерваторії Японії (NAOJ).

"Різні тіла нашої Сонячної системи мають різноманітний хімічний склад", - каже Юрі Айкава, професор Токійського університету. "Це різноманіття може бути обумовлено відмінностями в хімічному складі та фізичному стані у місцях їх утворення. Таким чином, виявлення хімічних варіацій у планетоутворювальних дисках має фундаментальне значення для вивчення формування планет".

Протопланетні диски навколо молодих зірок містять різноманітні молекули, кожна з яких випромінює радіохвилі певної довжини. У цьому дослідженні вчені використали чудову роздільну здатність та чутливість ALMA, щоб зрозуміти фізичні та хімічні умови у планетоутворювальних дисках.

Джанні Катальді, постдок Токійського університету та NAOJ, разом з командою зосередилися на дейтерії, важкому брату водню, у протопланетних дисках. Хоча на кожні 100 000 атомів водню припадає лише один атом дейтерію, відомо, що у деяких молекулах це співвідношення є вищим. Це збагачення дейтерієм може бути використано у якості сліду для визначення того місця, де утворився об’єкт на диску.

Команда проаналізувала дані ALMA та виміряла просторовий розподіл коефіцієнта вмісту дейтерію в протопланетних дисках. Вони виявили, що коефіцієнти вмісту дейтерію відрізняються приблизно у 100 разів між різними місцями у межах одного диска, причому коефіцієнт вмісту дейтерію стає меншим ближче до центральної зорі.

"Вважається, що за збагачення дейтерієм відповідають дві основні реакції; одна з них активна у дуже низькотемпературних регіонах, а інша залишається ефективною навіть у відносно теплих регіонах. Наші спостереження показують, що обидві відіграють важливу роль у дисках", - каже Катальді.

Порівняння коефіцієнтів вмісту дейтерію, що спостерігаються на протопланетних дисках, з показниками об′єктів Сонячної системи може надати інформацію про походження цих об′єктів. Наприклад, коефіцієнт вмісту дейтерію в молекулах HCN був виміряний для комети Хейла-Боппа, яка наблизилася до Сонця близько 1997 року та її добре було видно з Землі. Значення для комети Хейла-Боппа було меншим, ніж цього разу виміряне на протопланетних дисках.

"Це може свідчити про те, що комета Хейла-Боппа утворилася у внутрішній частині диска, близько до молодого Сонця (у межах 30 а.о.)", - каже Йошіхіде Ямато, аспірант Токійського університету та співавтор наукової статті. "Інша можливість полягає в тому, що молекули HCN у кометі утворилися з льодів, які конденсувалися з газової хмари на набагато більш ранній стадії формування диска, і на них не вплинуло збагачення дейтерієм у диску".

Ці спостереження є частиною великої програми ALMA, "Молекули з ALMA у масштабах планетоутворення" (англ. "Molecules with ALMA at Planet-forming Scales"), або MAPS, для виявлення радіохвиль, що випромінюються молекулами в протопланетних дисках, з високою просторовою роздільною здатністю. У межах цієї програми дослідники спостерігали протопланетні диски навколо п′яти молодих зірок – IM Lupi, GM Aurigae, AS 209, HD 163296 та MWC 480 – за допомогою ALMA, щоб зробити висновок про розподіл приблизно 20 молекул, у тому числі дейтерованих молекул, таких як DCN та N2D+.

"За допомогою ALMA ми змогли побачити, як молекули розподіляються там, де зараз збираються екзопланети", - сказала Карін Оберг, астроном з Гарвард-Смітсонівського Центру астрофізики (CfA) та головна дослідниця MAPS. "Одна з дійсно захопливих речей, які ми побачили, це те, що планетоутворювальні диски навколо цих п’яти молодих зірок є фабриками особливого класу органічних молекул, так званих нітрилів, які мають відношення до зародження життя тут, на Землі".

Вчені також спостерігали складні органічні молекули, такі як HC3N, CH3CN та c-C3H2; примітно, що вони містять вуглець, і тому, швидше за все, будуть виступати як вихідна сировина більших добіотичних молекул. Хоча ці молекули були виявлені в протопланетних дисках раніше, MAPS – це перше систематичне дослідження на кількох дисках з дуже високою просторовою роздільною здатністю та чутливістю, і перше дослідження, у якому ці молекули були виявлені у таких значних кількостях на малих масштабах.

"Ми виявили більше великих органічних молекул, ніж очікувалося, у 10–100 разів більше, що знаходяться у внутрішніх дисках у масштабах Сонячної системи, і їх хімія схожа на хімію комет Сонячної системи", - сказав Джон Айлі, астроном з Лідського університету та провідний автор роботи з MAPS. "Присутність цих великих органічних молекул має велике значення, оскільки вони є сходинками між простішими молекулами на основі вуглецю, такими як окис вуглецю, яких багато в космосі, та складнішими молекулами, необхідними для створення та підтримки життя".

Айкава та команда MAPS також визначили просторовий розподіл іонізованих молекул у дисках. Вони виявили, що іонізовані молекули менш поширені в області всередині радіусу 100 а.о. у дисках. Якщо газ у диску іонізований, він більш чутливий до магнітних полів, що може спричинити відтік газу або, навпаки, дозволити газу надходити до центральної зорі, що значно впливає на зростання зірок та планет. Спостереження також надає припущення, що швидкість іонізації у середній площині диска може варіюватися від об’єкта до об’єкта, що вказує на те, що фізичні умови планетоутворювальних дисків досить складні.

"Я вважаю, що ми зможемо наблизитися до таємниці процесу формування нашої Сонячної системи шляхом поєднання спостережень за протопланетними дисками за допомогою ALMA, спостережень та аналізу матеріалу Сонячної системи, а також передбачень, заснованих на теоретичних дослідженнях", - резюмує Айкава.

Результати спостережень були представлені у спеціальному випуску Astrophysical Journal Supplement, присвяченому MAPS.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.