«Вебб» дослідив планеторуйнівні зіткнення, подібні до того, яке утворило Місяць

За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба астрономи визначили новий підклас залишкових дисків, в яких надзвичайно багато теплого пилу знаходиться поблизу зорі, у зоні, порівнянній з тією, де в нашій Сонячній системі обертаються кам’янисті планети.

Про це розповідають в НАСА, передають OstanniPodii.com.

Вчені припускають, що на ранньому етапі історії нашої Сонячної системи об’єкт розміром з Марс, який отримав назву «Тея», зіткнувся з молодою Землею, внаслідок чого величезні маси породи випарувалися та були викинуті у космос. Частина цього матеріалу згуртувалася, утворивши Місяць.

Те давнє, бурхливе зіткнення змінило обличчя нашої рідної планети. Астрономи використовували космічний телескоп імені Джеймса Вебба для дослідження класу молодих зоряних систем, які демонструють ознаки подібних потрясінь, що дає підказки щодо кількості енергії, вивільненої під час їхніх зіткнень. Отримані результати дають уявлення про склад та еволюцію цих хаотичних систем.

Результати дослідження були опубліковані 1 жовтня в «The Astrophysical Journal».

У зірок навколишнє середовище змінюється в міру їхнього старіння: спочатку це молодий, багатий на газ протопланетний диск, в якому можуть формуватися планети, а згодом він перетворюється на бідний на газ залишковий диск. Протягом терміну своєї місії виведений з експлуатації космічний телескоп НАСА «Спітцер» досліджував стадію залишкового диска та виявив підклас, який отримав назву «екстремальні залишкові диски». Ці системи містять надзвичайно велику кількість теплого пилу поблизу зорі, у зоні, порівнянній з тією, де в нашій Сонячній системі обертаються кам’янисті планети. Команда астрономів під керівництвом Кейт Су з Інституту космічних наук у Боулдері, штат Колорадо, досліджувала ці цікаві об’єкти за допомогою телескопа Вебба.

На відміну від теоретичних прогнозів, згідно з якими ми мали б спостерігати багато екстремальних залишкових дисків, спостереження вказують на те, що такі середовища рідкісні. На основі даних, зібраних на сьогодні, вчені оцінюють, що лише приблизно 1% молодих зірок демонструє спостережувані ознаки цієї фази, включаючи, можливо, нашу власну Сонячну систему під час її формування. Попри їхню рідкість, команді вдалося зібрати вибірку з 21 екстремального залишкового диска, серед яких п’ять — з архівних даних «Спітцера» та 16 — з даних «Вебба», причому 12 дисків були спостережені вперше, а чотири від «Спітцера» — піддані повторним спостереженням.

«Це вперше, коли ми зібрали достатню кількість систем, щоб по-справжньому зрозуміти цей підклас, який ми називаємо екстремальними залишковими дисками», — сказав Су, головний автор статті. «До появи Вебба ми мали обмежену інформацію. Ми знали, що вони дивні та дуже відрізняються від типових холодних залишкових дисків, які ми знаємо, таких як Вега та Фомальгаут. Тепер, коли ми маємо більше даних, ми можемо точно визначити, що ці диски означають для формування та еволюції планет».

Команда підтвердила, що екстремальні залишкові диски мають три ключові властивості: дрібніші пилові зерна, ніж у протопланетних або класичних залишкових дисках, високу концентрацію теплого пилу та нерегулярні коливання яскравості — все це було виявлено за допомогою спектрів у середньому інфрачервоному діапазоні, отриманих телескопами «Вебб» і «Спітцер».

Щоб визначити основний чинник цих властивостей, команда дослідила мінералогічний склад дисків. Вони виявили, що їхню вибірку можна розділити на диски, багаті на кремнезем та бідні на кремнезем. Вулканічне скло, таке як обсидіан, є одним з прикладів матеріалу, багатого на кремнезем, що зустрічається на Землі, тоді як мінерал форстерит, бідний на кремнезем, виглядає як зелені піщинки на деяких пляжах Гаваїв. Категорія екстремального залишкового диска надає інформацію про тип зіткнень, що утворюють уламки від удару, і може допомогти пояснити його мінливість в інфрачервоній яскравості.

«Для мене найцікавішим було саме те, що за допомогою телескопа Вебба ми змогли побачити їх випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні та прекрасні спектральні особливості, що дозволило нам визначити їхній склад», — сказала Агнес Коспал з обсерваторії Конколі в Будапешті (Угорщина), співавторка дослідження. «У нас немає іншого способу безпосередньо досліджувати ці планетарні зародки, оскільки вони занадто малі».

Приблизно третина їхньої вибірки багата на кремнезем, що свідчить про те, що ці диски утворюються внаслідок високоенергетичних зіткнень між тілами розміром з Марс, під час яких значна частина матеріалу випаровується. Решта дві третини вибірки бідні на кремнезем, що вказує на зіткнення меншого масштабу — наприклад, дотичні зіткнення об′єктів розміром з Місяць. Диски, багаті на кремнезем, зустрічаються лише навколо зірок віком до 300 мільйонів років, тоді як диски, бідні на кремнезем, зберігаються у широкому діапазоні вікових груп і часто демонструють більшу мінливість яскравості. Команда вчених припускає, що ця мінливість зумовлена швидкою еволюцією свіжих уламків внаслідок змін орбіт та додаткових зіткнень.

Їхні висновки можна застосувати до нашої власної Сонячної системи, яка, можливо, пережила більше ніж одну фазу екстремальних залишкових дисків.

«Те, як утворилися кам’янисті планети та як еволюціонували гігантські планети, є частиною ширшої історії формування Сонячної системи. Це все — одна історія», — каже Су. «Наша робота над екстремальними залишковими дисками допомагає нам скласти загальну картину того, що ми наразі розуміємо».

Симуляції показують, що планети земного типу повинні утворюватися протягом перших кількох сотень мільйонів років після формування планетарної системи. Цей період збігається з віком багатих на кремнезем екстремальних залишкових дисків, спостережуваних на сьогодні, і узгоджується з оцінкою, згідно з якою Земля та Місяць утворилися приблизно через 100 мільйонів років після формування Сонця, причому Місяць, ймовірно, є результатом зіткнення Землі з об’єктом розміром з Марс.

Щодо того, чи проходило наше Сонце фазу екстремального диска з низьким вмістом кремнезему: якщо старіші диски з низьким вмістом кремнезему та їхні випадкові інтервали інфрачервоної яскравості дійсно відображають орбітальну нестабільність, це в цілому узгоджуватиметься з гіпотезою про пізнє інтенсивне бомбардування нашої Сонячної системи. За цим сценарієм газові гіганти мігрували на значні відстані, гравітаційно порушуючи орбіти менших тіл і спричиняючи катастрофічні зіткнення, що породили короткочасні, багаті на пил фази, які спостерігаються в екстремальних залишкових дисках.

«Звісно, є багато речей, яких ми досі не знаємо про ці диски», — сказав Аттіла Мур з обсерваторії Конколі, співавтор дослідження. «Ми не очікуємо наявності систем, багатих на кремнезем, серед старіших екстремальних залишкових дисків. У нашій вибірці є лише три диски, що відповідають цим віковим критеріям, тож було б добре спостерігати більше таких систем, щоб підтвердити нашу гіпотезу».

Космічний телескоп «Джеймс Вебб» — це провідна у світі обсерваторія для космічних досліджень. «Вебб» розгадує таємниці нашої Сонячної системи, заглядає за її межі до віддалених світів навколо інших зірок та досліджує загадкові структури й походження нашого Всесвіту та нашого місця в ньому. «Вебб» — це міжнародна програма під керівництвом НАСА спільно з її партнерами: ЄКА (Європейським космічним агентством) та ККА (Канадським космічним агентством).