"Вебб" виявив, що в ранньому Всесвіті планетоутворювальні диски жили довше

Космічний телескоп "Джеймс Вебб" розв′язав головоломку, довівши суперечливий висновок, зроблений за допомогою космічного телескопа "Габбл" понад 20 років тому.

Про це розповідають в Європейському космічному агентстві (ЄКА), передають OstanniPodii.com.

У 2003 році "Габбл" надав докази існування масивної планети навколо дуже старої зірки, майже такої ж давньої, як і Всесвіт. Такі зорі мають лише невелику кількість важких елементів, з яких складаються планети. Це означало, що утворення планет відбулося, коли Всесвіт був дуже молодим, і ці планети встигли сформуватися та вирости великими всередині своїх первинних дисків, навіть більшими за Юпітер. Але як? Це спантеличувало вчених.

Щоб відповісти на це питання, дослідники скористалися "Веббом" для вивчення зірок у сусідній галактиці, в якій, як і в ранньому Всесвіті, бракує великої кількості важких елементів. Вони виявили, що деякі зорі там не тільки мають планетоутворювальні диски, але й що ці диски довше живуть, ніж ті, що спостерігаються навколо молодих зірок у нашій галактиці Чумацький Шлях.

Робота була опублікована в The Astrophysical Journal 16 грудня 2024 року.

"Завдяки Веббу ми отримали дуже сильне підтвердження того, що бачили за допомогою Габбла, і ми повинні переосмислити, як ми моделюємо формування планет і ранню еволюцію в молодому Всесвіті", - сказав керівник дослідження Гвідо де Марчі з Європейського центру космічних досліджень і технологій ЄКА в Нордвейку (Нідерланди).

Інше середовище в ранні часи

У ранньому Всесвіті зорі формувалися здебільшого з водню та гелію та дуже малої кількості важчих елементів, таких як вуглець та залізо, які з′явилися пізніше внаслідок вибухів наднових.

"Сучасні моделі передбачають, що з такою малою кількістю важких елементів диски навколо зірок мають короткий термін життя, настільки короткий, що планети не можуть вирости великими", - сказала співдослідниця Олена Саббі, головна наукова співробітниця обсерваторії "Джеміні" Національної науково-дослідницької лабораторії оптично-інфрачервоної астрономії (NOIRLab) Національного наукового фонду США.

"Але [космічний телескоп] Габбл бачив ці планети, тож що, якщо моделі були невірними та диски можуть жити довше?"

Щоб перевірити цю ідею, вчені натренували "Вебб" на Малій Магеллановій Хмарі -- карликовій галактиці, яка є однією з найближчих сусідів Чумацького Шляху. Зокрема, вони дослідили масивне зореутворювальне скупчення NGC 346, яке також бідне на важкі елементи. Тому це скупчення має схожі умови зоряного середовища раннього, далекого Всесвіту.

Спостереження "Габбла" за NGC 346 із середини 2000-х років виявили багато зірок віком від 20 до 30 мільйонів років, які, схоже, все ще мали навколо себе планетоутворювальні диски. Це суперечило загальноприйнятій думці, що такі диски розсіюються через 2-3 мільйони років.

"Висновки "Габбла" були суперечливими, вони йшли всупереч не тільки з емпіричними даними про нашу галактику, але й зі сучасними моделями", - сказав Гвідо. "Це було гостроцікаво, але не маючи можливості отримати спектри цих зірок, ми не могли точно встановити, чи спостерігаємо ми зростання зірок і наявність дисків, чи просто якийсь хибний ефект".

Тепер, завдяки чутливості та роздільній здатності "Вебба", вчені отримали перші в історії спектри подібних до Сонця зірок у стадії формування та їхнього найближчого оточення в сусідній галактиці.

"Ми бачимо, що ці зорі дійсно оточені дисками та все ще перебувають у процесі поглинання матеріалу, навіть у відносно старому віці 20 або 30 мільйонів років", - каже Гвідо. "Це також означає, що планети мають більше часу для формування й росту навколо цих зірок, ніж у сусідніх зореутворювальних регіонах нашої галактики".

Новий спосіб мислення

Це відкриття спростовує попередні теоретичні прогнози про те, що зоря дуже швидко здує диск, коли в газі дуже мало важких елементів. В такому випадку життя диска було б дуже коротким, навіть менше мільйона років. Але якщо диск не залишається навколо зорі достатньо довго, щоб пилинки злипалися, утворюючи камінці, які стають ядром планети, то як можуть утворюватися планети?

Дослідники пояснили, що може існувати два різних механізми або навіть комбінація механізмів, які дозволяють планетоутворювальним дискам існувати в середовищах, бідних на важкі елементи.

По-перше, для того, щоб здути диск, світло зорі тисне на газ у диску. Цей процес є більш ефективним, коли газ містить елементи, важчі за водень і гелій. Масивне зоряне скупчення NGC 346 містить лише близько десяти відсотків важчих елементів, які присутні в хімічному складі нашого Сонця. Тож, можливо, зорям цього скупчення просто потрібно більше часу, щоб розсіяти свій диск.

Друга можливість полягає в тому, що зоря, подібна до Сонця, повинна була сформуватися з більшої хмари газу, коли в ній було мало важких елементів. Більша хмара газу утворює більший диск. Коли в диску більше маси, на його здування піде більше часу.

"Чим більше речовини навколо зірок, тим довше триває акреція", - каже Олена. "Диски можуть зникати в десять разів довше. Це впливає на те, як формується планета, і на тип планетних систем, які можуть виникнути в цих різних середовищах. Це так захопливо".