Откуда на Земле появилась вода — один из важнейших вопросов в истории формирования нашей планеты. Вода могла частично присутствовать в веществе, из которого формировалась молодая Земля, а часть могла быть доставлена из внешних областей Солнечной системы астероидами, ледяными телами и кометами. Новое исследование молодой планетной системы PDS 70 добавляет аргументы в пользу того, что кометы способны переносить воду и другие летучие вещества к внутренним областям формирующихся планетных систем.
Астрономы обнаружили признаки активности возможных экзокомет — кометоподобных тел за пределами Солнечной системы — вокруг молодой звезды PDS 70. Наблюдения показывают, что небольшие ледяные тела могут перемещаться из внешних районов системы ближе к звезде, испаряться при нагреве и оставлять газ, который удаётся обнаружить по изменениям в спектре звёздного света.
Особенно важным это делает уже известное присутствие воды во внутренней части диска вокруг PDS 70. Если связь между водой и активностью экзокомет будет окончательно подтверждена, учёные получат редкую возможность непосредственно наблюдать процесс переноса вещества в молодой системе, где ещё продолжаются формирование и эволюция планет.
Молодая система PDS 70 как лаборатория формирования планет
PDS 70 находится примерно в 370 световых годах от Земли в направлении созвездия Центавра. Это очень молодая звезда возрастом около 5,4–5,5 миллиона лет. Для звёздных масштабов такой возраст чрезвычайно мал: PDS 70 ещё относится к классу звёзд типа Т Тельца и находится на ранней стадии своей эволюции.
Звезду окружает протопланетный диск — огромное образование из газа, пыли и более крупных частиц, из которого формируются планеты. Такие диски считаются естественной средой рождения планетных систем. В случае PDS 70 астрономам уже удалось непосредственно обнаружить две молодые гигантские планеты — PDS 70 b и PDS 70 c.
Это обстоятельство делает систему особенно ценной для науки. Обычно астрономы наблюдают либо молодые диски, в которых планеты ещё не обнаружены напрямую, либо уже сформировавшиеся зрелые планетные системы. PDS 70 позволяет изучать промежуточный этап, когда планеты уже существуют, но процессы перераспределения вещества в системе всё ещё продолжаются.
Разрыв в протопланетном диске
Диск PDS 70 имеет сложную структуру. В распределении пыли существует широкий промежуток, который разделяет внутренние и внешние области диска. Известные гигантские планеты находятся внутри этой структуры и, вероятно, играют важную роль в формировании её современного вида.
Внутренний диск простирается примерно до 18 астрономических единиц от звезды, а внешний начинается значительно дальше — примерно от 54 астрономических единиц. Между этими областями находится большой промежуток.
На первый взгляд такая структура должна затруднять перенос материала из внешней части системы внутрь. Однако наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что существуют механизмы, способные перемещать вещество через области, где находятся массивные планеты.
Именно здесь экзокометы могут оказаться особенно важными.
Вода была обнаружена там, где могут формироваться каменистые планеты
Предыдущие инфракрасные наблюдения космического телескопа James Webb показали наличие газообразной воды в центральной части внутреннего диска PDS 70. Этот резервуар расположен очень близко к молодой звезде — примерно в пределах 0,05 астрономической единицы.
Температура обнаруженной воды оценивается примерно в 600 кельвинов. В таких условиях речь идёт не о жидкой воде и не о льде, а о водяном паре.
Сам факт обнаружения воды не объясняет, откуда она появилась. Существуют разные возможные механизмы. Вода и её компоненты могут образовываться непосредственно во внутренней области диска в результате химических процессов. Другой вариант предполагает перенос ледяного материала из более удалённых районов вместе с веществом диска.
Новое исследование рассматривает ещё один возможный канал доставки — перенос летучих веществ крупными ледяными телами, которые перемещаются из внешней части системы к звезде.
Почему происхождение воды имеет принципиальное значение
Вода является одним из ключевых компонентов планетной среды. Однако наличие воды на молодой планете зависит не только от её первоначального состава. Большое значение имеет и то, как вещество перемещается внутри формирующейся планетной системы.
Во внешних холодных областях протопланетного диска вода может существовать в виде льда. Ближе к звезде температура повышается, и лёд начинает испаряться. Поэтому перенос ледяных тел из холодных районов во внутреннюю часть системы может существенно менять состав вещества там, где формируются каменистые планеты.
Подобный механизм давно рассматривается применительно к ранней Солнечной системе. Кометы и другие богатые летучими веществами тела могли участвовать в доставке части воды на молодую Землю.
Наблюдения PDS 70 важны именно потому, что позволяют искать признаки такого процесса не только в теоретических моделях прошлого Солнечной системы, но и в реально существующей молодой системе.
Необычные линии натрия выдали присутствие быстро движущегося газа
Главным источником новых данных стали архивные спектроскопические наблюдения PDS 70, выполненные с помощью прибора HARPS. Спектроскопия позволяет изучать свет звезды и искать в нём характерные линии, возникающие при поглощении или излучении света различными химическими элементами.
Астрономы обнаружили переменные линии поглощения, связанные с нейтральным натрием. Их свойства оказались необычными.
Эти линии не оставались постоянными. Они могли появляться и исчезать в течение нескольких дней, менялись по интенсивности и наблюдались при разных скоростях движения газа относительно звезды.
Такое поведение указывает на то, что газ не образует равномерную и стабильную оболочку вокруг PDS 70. Вместо этого он, по-видимому, существует в виде отдельных быстро движущихся сгустков.
Что может создать такие изменения в спектре
Когда облако газа проходит между звездой и наблюдателем, оно поглощает часть света на определённых длинах волн. В результате в спектре появляются линии поглощения.
Если источник газа движется, положение этих линий изменяется из-за эффекта Доплера. По характеру смещения можно определить скорость вещества вдоль линии наблюдения.
В случае PDS 70 переменные линии натрия демонстрировали быстрые и нерегулярные изменения. Некоторые компоненты появлялись лишь на короткое время, а затем исчезали.
Подобная картина хорошо согласуется с поведением вещества, которое выделяется из небольших тел, движущихся по вытянутым орбитам и проходящих близко к звезде.
Экзокометы становятся главным объяснением
Кометы в Солнечной системе содержат лёд, пыль и другие вещества. Когда комета приближается к Солнцу, её поверхность нагревается, и летучие компоненты начинают переходить непосредственно из твёрдого состояния в газ.
Этот процесс называется сублимацией.
Освобождающийся газ и пыль образуют вокруг кометы протяжённую оболочку и хвост. Аналогичный процесс должен происходить и у кометоподобных тел в других планетных системах.
Такие объекты называют экзокометами.
Исследователи пришли к выводу, что наблюдаемые у PDS 70 переменные линии натрия наиболее естественно объясняются именно сублимацией вещества с тел, проходящих близко к молодой звезде.
Орбиты должны быть сильно вытянутыми
Особенности наблюдаемых скоростей указывают на то, что предполагаемые экзокометы движутся по сильно вытянутым орбитам. Такие траектории позволяют телам проводить большую часть времени далеко от звезды, а затем периодически приближаться к ней.
Во время близкого прохождения нагрев резко усиливается. Ледяные и другие летучие вещества начинают интенсивно испаряться, создавая облака газа.
Именно такие облака могут на короткое время проходить перед диском звезды и оставлять переменные следы в спектре.
Большинство переменных линий, обнаруженных в ранних наблюдениях, были смещены в одну сторону относительно положения, соответствующего самой звезде. Более поздние наблюдения также выявили переменные компоненты с противоположным смещением. Это дополнительно поддерживает интерпретацию, связанную с движущимися телами на орбитах.
При этом исследователи подчёркивают, что экзокометная гипотеза пока не считается окончательно доказанной.
Почему альтернативное объяснение оказалось менее убедительным
Молодые звёзды являются активными объектами. Они продолжают взаимодействовать с окружающим веществом, могут аккрецировать материал и терять часть массы.
Одним из возможных источников переменных спектральных линий мог быть так называемый дисковый ветер — поток газа, уходящий от области протопланетного диска.
Учёные проверили эту возможность. Некоторые особенности системы действительно позволяют рассматривать подобный сценарий, и полностью исключить его пока нельзя.
Однако свойства обнаруженных линий натрия оказались трудными для объяснения простой моделью дискового ветра. Газ выглядел пространственно ограниченным, а его скорость и изменения во времени больше соответствовали отдельным быстро движущимся источникам, чем устойчивому крупномасштабному потоку.
Именно поэтому гипотеза об экзокометах сейчас рассматривается как наиболее вероятное объяснение наблюдаемых переменных линий.
Планеты могут отправлять ледяные тела к звезде
Самая интересная часть исследования связана не только с обнаружением возможных экзокомет, но и с вопросом об их происхождении.
В системе PDS 70 уже известны массивные планеты. Их гравитация способна существенно изменять траектории небольших тел.
Компьютерное моделирование показало, что планетезимали из внешней части системы могут взаимодействовать с планетами и постепенно переходить на новые орбиты. Некоторые из них способны направляться во внутренние области системы и даже двигаться по траекториям, проходящим очень близко к звезде.
Таким образом, массивные планеты могут играть роль своеобразных гравитационных посредников, перераспределяющих вещество между разными областями молодой системы.
Перенос вещества через планетную систему
Этот процесс особенно важен для понимания формирования каменистых планет.
Внешняя часть протопланетного диска обычно значительно холоднее внутренних областей. Там могут сохраняться лёд и другие летучие соединения. Если небольшие тела из этих районов перемещаются внутрь, они переносят с собой вещества, которые иначе могли бы остаться далеко от будущих каменистых миров.
При приближении к звезде лёд испаряется, и летучие компоненты попадают в окружающее пространство.
Если подобный процесс происходит достаточно долго, он способен постоянно пополнять внутреннюю часть системы новым веществом.
Моделирование PDS 70 показало, что перенос планетезималей из внешнего диска через область орбит известных планет является физически возможным.
Возможная роль ещё не обнаруженных планет
Система PDS 70 может оказаться сложнее, чем известно сейчас. Существование ещё одной планеты уже обсуждалось на основе предыдущих наблюдений, однако её наличие пока не подтверждено окончательно.
Кроме того, во внутренних областях могут существовать и другие пока не обнаруженные тела.
Дополнительные планеты могли бы существенно влиять на траектории малых объектов и повышать эффективность их переноса в сторону звезды. Поэтому изучение экзокомет может одновременно помочь лучше понять и архитектуру самой планетной системы.
Если небольшие тела регулярно оказываются на сильно вытянутых орбитах, это может быть следствием сложного гравитационного взаимодействия с планетами.
Молодая система может показать процесс, похожий на раннюю историю Солнечной системы
Сегодня невозможно напрямую наблюдать события, происходившие на Земле и в Солнечной системе миллиарды лет назад. Поэтому астрономы ищут молодые системы, которые могут находиться на стадиях, напоминающих ранние этапы развития нашего планетного окружения.
PDS 70 представляет особый интерес именно по этой причине.
В ней одновременно наблюдаются протопланетный диск, молодые гигантские планеты, вода во внутренней части системы и признаки возможного перемещения небольших ледяных тел к звезде.
Такое сочетание делает PDS 70 своеобразной естественной лабораторией для изучения процессов, которые могли происходить и в молодой Солнечной системе.
Могли ли кометы принести воду на Землю
Вопрос о происхождении земной воды не имеет одного окончательно установленного ответа.
Рассматриваются различные источники и механизмы. Часть воды могла быть связана с веществом, из которого формировалась сама Земля. Другая часть могла поступить позже вместе с астероидами, планетезималями и другими богатыми водой телами.
Поэтому современные представления не требуют выбирать только один источник.
Исследование PDS 70 не доказывает, что именно кометы доставили всю воду на Землю. Его значение заключается в другом: оно показывает, что перенос летучих веществ небольшими телами может быть реальным и наблюдаемым процессом в молодой планетной системе.
Если экзокометная активность PDS 70 будет подтверждена окончательно, это станет сильным свидетельством того, что подобный механизм способен действовать уже на очень ранних этапах формирования планет.
Почему PDS 70 особенно важна для изучения экзокомет
Экзокометы уже наблюдались и в других звёздных системах, однако PDS 70 выделяется сразу несколькими особенностями.
Это чрезвычайно молодая система. Если интерпретация наблюдений подтвердится, она станет самой молодой известной системой, в которой обнаружены признаки экзокометной активности.
Кроме того, PDS 70 значительно холоднее многих звёзд, вокруг которых подобные объекты изучались раньше.
Экзокометы не обязательно связаны только с горячими звёздами
Одной из наиболее известных систем с экзокометной активностью является Бета Живописца. Эта звезда значительно горячее PDS 70.
Вокруг горячих звёзд мощное ультрафиолетовое излучение сильнее воздействует на газ, выделяющийся из испаряющихся комет. Поэтому в спектрах таких систем могут быть хорошо заметны ионизированные химические элементы.
PDS 70 является более холодной звездой. В таких условиях часть вещества может существовать в другом состоянии, что влияет на то, какие спектральные линии легче обнаружить.
В данном случае важным индикатором стал нейтральный натрий.
Если присутствие экзокомет будет подтверждено, это покажет, что подобная активность может наблюдаться не только в системах вокруг горячих звёзд.
Как астрономы смогут окончательно проверить гипотезу
Несмотря на убедительные признаки, исследователи подчёркивают необходимость новых наблюдений.
Один из возможных способов — поиск прохождений пылевых хвостов экзокомет перед звездой. Такие события могли бы вызывать небольшие изменения её яркости.
Однако у молодых звёзд есть серьёзная проблема: они сами обладают высокой изменчивостью. Колебания яркости PDS 70 могут затруднять поиск слабых сигналов от проходящих комет.
Другой важный метод — проведение продолжительных серий спектроскопических наблюдений.
Наблюдения за движением отдельных газовых облаков
Если астрономам удастся достаточно подробно проследить изменение спектральных линий во времени, они смогут измерить ускорение или замедление отдельных облаков газа.
Это позволит лучше определить траектории объектов, с которыми связан этот газ, и выяснить, насколько близко они подходят к звезде.
Также полезным будет изучение химического состава вещества. Различные элементы и соединения по-разному реагируют на нагрев и испарение, поэтому их соотношение может помочь отличить материал, недавно выделившийся из ледяного тела, от газа другого происхождения.
Большое значение будет иметь и дальнейшее изучение планет PDS 70. Чем точнее будут известны их массы и орбиты, тем лучше удастся понять, способны ли они направлять небольшие тела к внутренней области системы.
Будущие телескопы позволят увидеть систему подробнее
В ближайшие годы возможности астрономов по изучению подобных систем должны значительно расшириться.
Особые надежды связаны с Extremely Large Telescope, строящимся в Чили. Его возможности позволят гораздо подробнее исследовать молодые планетные системы и искать объекты, которые пока остаются недоступными существующим инструментам.
Для PDS 70 это особенно важно. Новые наблюдения могут выявить дополнительные планеты, уточнить параметры уже известных миров и помочь восстановить структуру всей системы.
Чем лучше будет известна её архитектура, тем точнее можно будет понять происхождение предполагаемых экзокомет.
Наблюдение процесса доставки вещества в реальном времени
Главная ценность исследования заключается в возможности увидеть один из фундаментальных процессов формирования планетных систем практически в действии.
Миллиарды лет назад молодая Солнечная система также состояла из звезды, диска, формирующихся планет и огромного количества небольших тел. Гравитационное взаимодействие постоянно меняло их орбиты, перемещая вещество между разными областями.
Сегодня последствия этих процессов можно изучать по составу планет, астероидов и комет. Однако PDS 70 даёт возможность наблюдать похожую динамику в молодой системе, где формирование планет ещё не завершилось.
Переменные линии натрия могут оказаться следами небольших ледяных тел, которые приближаются к звезде, теряют вещество и пополняют внутренние области системы летучими соединениями.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят эту картину, PDS 70 станет одним из лучших известных примеров того, как кометоподобные тела способны переносить материал из холодных окраин планетной системы туда, где формируются каменистые планеты.
Именно такие процессы могут помочь объяснить, почему некоторые миры получают значительные запасы воды и других важных летучих веществ, а другие остаются гораздо более сухими.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
