Астрономы обнаружили скрытые планетоформирующие структуры в самых маленьких дисках

Благодаря чрезвычайно высокому разрешению радиотелескопа ALMA обнаружены кольца, промежутки и полости в чрезвычайно компактных дисках вокруг молодых звезд, что свидетельствует о том, что многие небольшие диски могли казаться гладкими просто потому, что их детали были слишком мелкими для различения.

Об этом сообщается на сайте обсерватории ALMA, передают OstanniPodii.com.

Некоторые из самых удивительных изображений, полученных с помощью Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA), показывают молодые звезды, окруженные широкими газовыми и пылевыми дисками, разделенными на сложные кольца и промежутки. Эти структуры могут содержать твердое вещество и, вероятно, обозначают места, где начинают формироваться планеты.

Однако астрономы в основном наблюдали эти удивительные структуры в больших, ярких дисках. Гораздо более мелкие диски часто казались гладкими и относительно однообразными, что вызывало вопрос: эволюционируют ли они иначе — или их структуры просто были слишком мелкими, чтобы их можно было различить.

Теперь, используя ALMA в конфигурации с максимально расширенным массивом антенн, астрономы наблюдали 11 чрезвычайно компактных протопланетных дисков в зоне звездообразования «Волк», расположенной в южном полушарии неба. Наблюдения, проведенные в диапазоне 7 ALMA на длине волны около 0,9 миллиметра, позволили достичь углового разрешения примерно 0,02 угловой секунды. На расстоянии до зоны «Волк» это соответствует масштабам около двух астрономических единиц, или вдвое большему, чем среднее расстояние между Землёй и Солнцем. Это самое высокое угловое разрешение, доступное в настоящее время с помощью ALMA на этой длине волны.

При такой разрешающей способности несколько дисков, которые ранее казались простыми, начали раскрывать скрытые детали. Исследователи обнаружили четкие подструктуры в пределах 10 астрономических единиц от центральной звезды в четырёх из 11 дисков и нашли признаки подобных особенностей ещё в трёх. В одной системе, Sz 112, ALMA различила центральную полость, простирающуюся всего на 1,6 астрономических единиц от звезды.

«Долгое время самые маленькие диски казались гораздо проще, чем большие, удивительные диски, которые ALMA сделала знаменитыми. Мы обнаружили, что по крайней мере часть этой разницы была иллюзией, вызванной разрешением», — объясняет руководитель исследования Пьетро Куроне из Центра астрофизики и связанных технологий и Университета Чили. «Когда мы достаточно увеличиваем изображение, даже в этих крошечных системах начинают появляться кольца, промежутки и полости».

Эти результаты свидетельствуют о том, что компактные диски, возможно, не являются принципиально иным типом среды, в которой формируются планеты. Напротив, многие из них могут содержать те же типы структур, что и в более крупных дисках, но сжатые в области диаметром всего в несколько астрономических единиц.

Это особенно важно, поскольку области, изученные в рамках данного исследования, гораздо ближе к орбитальным масштабам многих известных планетных систем. Предыдущие обзоры ALMA с высоким разрешением в основном позволяли различить структуры на расстояниях от нескольких до десятков астрономических единиц от их звезд. Однако многие экзопланеты обнаруживаются на гораздо более близких расстояниях. Таким образом, компактные диски позволяют исследовать формирование планет в регионах, которые более тесно пересекаются с местами, где в конечном итоге находятся многие планеты.

«Главный вопрос для нас заключался в том: действительно ли малые диски не имеют структуры, или их особенности просто выходили за пределы нашего разрешения», — объясняет соавтор исследования Гийс Мулдерс из Папского католического университета Чили. «Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили новые наблюдения компактных дисков с предыдущими исследованиями ALMA, посвящёнными дискам, в которых формируются планеты».

Сравнение выявило сильную зависимость от того, насколько хорошо был разрешён диск. Среди дисков, наблюдаемых с достаточным разрешением для надежного обнаружения структуры, подструктуры были обнаружены примерно у 44 % чрезвычайно компактных дисков с радиусами от 3 до 10 астрономических единиц и примерно у 55 % дисков с радиусами от 10 до 30 а.е. Для дисков, размеры которых превышают 30 а.е., частота обнаружения превышает 90 %.

Этот результат свидетельствует о том, что ранее зафиксированная редкость колец и пробелов в малых дисках была обусловлена, по крайней мере частично, недостаточным угловым разрешением, а не их действительным отсутствием.

«Это хороший пример того, как меняется картина, когда мы получаем более высокое разрешение. Диск, который кажется гладким с большого расстояния, может иметь богатую внутреннюю структуру, как только мы сможем различить объекты, удаленные друг от друга всего на несколько астрономических единиц», — говорит соавтор Лаура Перес из Университета Чили.

Эти структуры имеют важное значение, поскольку пыль в протопланетном диске не остается просто там, где она образовалась. Твердые частицы, как правило, теряют угловой момент и дрейфуют внутрь, к звезде. Без определенного механизма, замедляющего эту миграцию, зерна размером в миллиметр могли бы исчезнуть из внешней части диска гораздо быстрее, чем существует сам диск.

Кольца и пробелы могут свидетельствовать об изменениях давления газа, удерживающих эти частицы. Замедляя или останавливая их дрейф к центру, эти «ловушки давления» могут сохранять скопления твёрдого материала и создавать благоприятные условия для формирования планет.

«Наши новые наблюдения с помощью ALMA показывают, что такие ловушки могут существовать всего в нескольких астрономических единицах от молодых звёзд, даже в чрезвычайно компактных дисках», — говорит соавтор Нинке ван дер Марел из Лейденской обсерватории. «Одним из возможных объяснений некоторых недавно обнаруженных пробелов является то, что их создали молодые планеты».

Исследователи оценили, какие типы планет могли бы сформировать наблюдаемые структуры, если бы каждый пробел вызывала отдельная планета. Для структур в пределах пяти астрономических единиц необходимые массы соответствуют диапазону, связанному с супер-землями и мини-нептунами. Эти возможные планеты занимали бы область масс планет и орбитальных расстояний, которую трудно исследовать как с помощью современных обзоров экзопланет, так и наблюдений дисков, сосредоточенных на значительно больших орбитальных масштабах.

«Если за некоторыми из этих пробелов стоят планеты, мы, возможно, видим признаки относительно маломассивных планет, еще формирующихся, на орбитальных расстояниях, до которых раньше было очень трудно добраться», — добавляет Куроне.

Команда предупреждает, что кольца, пробелы и полости сами по себе не являются прямым доказательством наличия планет. Существует несколько физических механизмов, которые могут создавать структуры в протопланетных дисках, и нынешние наблюдения не исключают полностью непланетарных объяснений. Авторы считают, что планетарное происхождение согласуется со структурами, обнаруженными в нескольких дисках, но необходимы дальнейшие наблюдения, чтобы определить, что именно их формирует.

Наблюдения также выявили ещё одну неожиданность. Две из, на первый взгляд, компактных систем — Sz 73 и Sz 130 — имеют тусклые кольца, простирающиеся далеко за пределы их ярких центральных дисков. Еще четыре системы демонстрируют предварительные признаки подобного внешнего излучения. Это повышает вероятность того, что некоторые диски, классифицированные как очень малые, могут содержать более расширенную материю, которая оставалась скрытой из-за своей слабой яркости.

В совокупности эти результаты указывают на более целостную картину протопланетных дисков. Крупные и компактные диски могут иметь много общих основных структур и физических процессов, а главное различие заключается в масштабах, в которых они происходят.

Различая объекты размером всего в несколько астрономических единиц, ALMA начинает восполнять пробел между наблюдениями дисков, в которых формируются планеты, и архитектурой зрелых планетных систем. Будущие наблюдения более компактных дисков с высоким разрешением, на разных длинах волн и с использованием индикаторов как пыли, так и газа, помогут определить, насколько распространены эти скрытые структуры и действительно ли они обозначают места формирования планет, которые в конечном итоге возникнут из них.

• планетообразование
• ALMA