Формирование планетных систем происходит не в спокойной и неизменной среде. Вокруг молодой звезды находится протопланетный диск — огромное скопление газа и пыли, из которого постепенно формируются планеты, астероиды и другие тела. Но этот строительный материал не остаётся в диске навсегда. Часть вещества падает на звезду, а часть постепенно выбрасывается в окружающее пространство.
Наблюдения 72 молодых звёзд с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» позволили проследить, как меняются механизмы потери вещества по мере развития звёздных систем. Исследование показывает, что протопланетные диски проходят несколько этапов, на которых доминируют разные процессы удаления газа. Это имеет непосредственное значение для формирования планет, особенно газовых гигантов, которым необходимо успеть накопить большое количество вещества до того, как значительная часть газа исчезнет из диска.
Протопланетный диск задаёт время для формирования планет
Откуда берётся материал для будущих планет
Звезда и окружающий её диск возникают из одного и того же исходного облака вещества. По мере сжатия молодая звезда оказывается окружена вращающимся диском из газа и пыли. Именно этот диск становится основным резервуаром материала для будущей планетной системы.
Внутри диска частицы пыли сталкиваются и могут объединяться, постепенно образуя всё более крупные тела. Со временем из них формируются планетезимали, а затем зародыши планет. Газ играет особенно важную роль для будущих газовых гигантов: после формирования массивного твёрдого ядра такая планета должна накопить значительную газовую оболочку, пока необходимое вещество ещё присутствует поблизости.
Поэтому исчезновение газа из протопланетного диска означает не просто уменьшение количества доступного материала. Для некоторых типов планет оно фактически ограничивает возможность дальнейшего формирования. Особенно чувствительными к этому процессу должны быть газовые гиганты, которым требуется значительно больше вещества, чем небольшим каменистым планетам.
Почему диск постепенно исчезает
Вещество протопланетного диска может удаляться несколькими способами. Часть газа перемещается к молодой звезде в процессе аккреции, а часть уходит из системы в виде потоков вещества. Эти потоки не остаются одинаковыми на протяжении всей жизни диска.
Наблюдения показывают, что по мере развития звезды меняется и механизм, который вносит основной вклад в потерю вещества. На ранних этапах особенно важны магнитные поля, связанные с диском и молодой звездой. Они способны запускать струи и ветры, уносящие газ из окрестностей звезды. Позднее роль магнитных процессов уменьшается, а всё большее значение приобретает высокоэнергетическое излучение самой звезды.
Таким образом, протопланетный диск не просто медленно истончается по одной причине. Он проходит последовательность состояний, в которых разные физические процессы по-разному влияют на скорость удаления вещества.
Что удалось увидеть «Джеймсу Уэббу»
Наблюдения молекулярного водорода
Для изучения исчезновения материала исследователи использовали данные прибора MIRI, работающего в среднем инфракрасном диапазоне. Одним из основных индикаторов движения вещества стал молекулярный водород — одна из наиболее распространённых молекул в протопланетных дисках.
Вместо того чтобы наблюдать одну систему на протяжении миллионов лет, астрономы изучили 72 диска, находящихся на разных стадиях развития. Такой подход позволяет сравнивать системы между собой и восстанавливать последовательность изменений. Это не буквальная видеозапись эволюции одной звезды, а сопоставление множества объектов, находящихся на разных этапах своего развития.
Исследуемая выборка включала в основном диски класса II. В общей сложности 67 объектов относились к классу II, ещё пять — к классу I. Исследователи специально отобрали достаточно наклонённые к наблюдателю диски, поскольку такая геометрия позволяет лучше отделять излучение диска от потоков вещества, выходящих из него.
Разные признаки показывают разные типы потоков
В расширенном инфракрасном излучении молекулярного водорода были обнаружены признаки ветров у 46 дисков. Высокоскоростные струи, прослеживаемые по ионизированному неону, были выявлены у 40 объектов. В целом расширенное излучение молекулярного водорода и ионизированного неона обнаружено у 66 из 72 исследованных дисков.
Особенно важным оказалось не само наличие потоков, а их связь с состоянием молодой звезды и скоростью аккреции вещества. У систем с более высокой скоростью аккреции чаще обнаруживались мощные струи и молекулярные ветры. При уменьшении аккреции признаки некоторых горячих потоков становились слабее, тогда как атомарные ветры сохранялись.
Это позволило исследователям связать наблюдаемую картину с эволюцией протопланетного диска. Вещество не просто постепенно исчезает: характер его потери меняется вместе с состоянием самой системы.
Как меняются ветры и струи по мере старения системы
Ранний этап: магнитные поля активно удаляют вещество
На ранних стадиях развития диска молодая звезда и окружающее её вещество связаны с сильными магнитными процессами. Магнитные поля способны участвовать в запуске струй, направленных преимущественно перпендикулярно плоскости диска, а также более широких ветров.
Такие потоки могут уносить газ из системы ещё до того, как высокоэнергетическое излучение звезды получает возможность эффективно воздействовать на внешние области диска. Наблюдаемая связь между высокой скоростью аккреции и более частым обнаружением струй и молекулярных ветров согласуется с тем, что магнитные процессы особенно важны в активно развивающихся системах.
В исследовании также рассматривается возможность того, что плотные ранние потоки частично экранируют внешние области диска от высокоэнергетического излучения молодой звезды. Это может ограничивать фотоиспарение на больших расстояниях от звезды и тем самым влиять на то, как долго там сохраняется газ.
Однако речь идёт именно о физической интерпретации наблюдаемой последовательности, а не о прямом измерении того, сколько вещества каждый конкретный поток уносит. Количество массы, удаляемой различными механизмами, ещё предстоит определить более точно.
Поздний этап: на первый план выходит фотоиспарение
По мере развития системы протопланетный диск становится менее плотным. Излучению молодой звезды становится проще проникать в его внешние области, а магнитные струи и некоторые виды ветров ослабевают.
В этих условиях возрастает значение фотоиспарения. Высокоэнергетическое излучение звезды нагревает и ионизирует газ в поверхностных слоях диска. Часть нагретого вещества получает возможность покинуть диск, формируя атомарный ветер.
Наблюдения соответствуют последовательности, при которой на ранних стадиях присутствуют атомарные струи и горячие молекулярные ветры, а по мере снижения аккреции эти компоненты становятся слабее. Одновременно возрастает относительная роль более разреженных атомарных ветров. На поздних этапах молекулярная составляющая также уменьшается, и поток становится преимущественно атомарным.
Так формируется своеобразная последовательность эволюции диска: сначала вещество активно взаимодействует с магнитным полем и удаляется в виде различных струй и ветров, а затем, когда диск становится более разреженным, всё большую роль играет излучение звезды.
Почему это важно для формирования газовых гигантов
Юпитер и Сатурн зависели от сохранения газа
Для небольших каменистых планет наличие большого количества газа не является обязательным условием формирования самого планетного тела. Газовые гиганты устроены иначе. Помимо твёрдой основы, им необходимо накопить массивные газовые оболочки.
Юпитер и Сатурн в Солнечной системе являются очевидными примерами планет, которые содержат большое количество вещества в своих газовых оболочках. Чтобы подобные объекты сформировались, их зародыши должны успеть накопить достаточное количество газа до того, как протопланетный диск будет рассеян.
Поэтому продолжительность существования газового диска становится одним из ограничивающих факторов. Если газ удаляется слишком быстро, планета может не успеть накопить массивную оболочку. После практически полного исчезновения газа сформировать новый газовый гигант в том же месте уже невозможно.
Для разных планетных систем условия могут различаться
Скорость исчезновения газа неодинакова на всех расстояниях от звезды. Кроме того, механизмы удаления вещества меняются с возрастом системы. Поэтому время, доступное для формирования планет, зависит не только от возраста звезды, но и от конкретной области протопланетного диска.
Именно это делает наблюдения большого количества молодых систем особенно важными. Исследование 72 дисков позволяет изучать не отдельный необычный объект, а общую последовательность изменений. В дальнейшем такие данные можно использовать для построения моделей, которые покажут, в каких областях диска и на каких этапах развития звёздной системы формирование определённых типов планет становится затруднительным.
При этом результаты не означают, что у каждой молодой звезды существует одинаковый и строго заданный срок для формирования планет. Наблюдаемая выборка имеет свои ограничения, а исследователи пока не определили с необходимой точностью, сколько именно массы теряется через каждый из обнаруженных механизмов.
Новые данные помогают понять раннюю историю Солнечной системы
Сегодня Солнечная система уже находится на другом этапе
Солнечной системе около 4,6 млрд лет, поэтому современная картина сильно отличается от того состояния, в котором находилось окружение молодого Солнца. Когда формировалась наша система, вокруг Солнца существовал протопланетный диск, из материала которого впоследствии возникли планеты, малые тела и другие объекты.
Современные наблюдения молодых звёзд дают возможность изучать процессы, которые невозможно непосредственно увидеть в истории Солнечной системы. Земля, Юпитер, Сатурн и другие планеты уже сформировались, а исходный протопланетный диск давно исчез. Поэтому информацию о раннем этапе приходится получать, наблюдая другие молодые системы.
Сравнение множества таких объектов помогает установить, какие процессы являются обычными, как они сменяют друг друга и какие условия могли существовать вокруг молодого Солнца.
«Джеймс Уэбб» позволяет изучать не только сами планеты
Главное значение исследования заключается не в обнаружении новых планет, а в изучении среды, в которой они формируются. Телескоп наблюдает признаки газа, находящегося в потоках вокруг молодых звёзд, и благодаря инфракрасным данным может исследовать структуру этих потоков.
Это особенно важно потому, что сами процессы формирования планет происходят в масштабах времени, недоступных для непосредственного наблюдения. Человек не может увидеть, как конкретный протопланетный диск изменяется от раннего состояния до полного рассеивания. Но можно исследовать большое количество систем разного возраста и сравнить их характеристики.
Полученная картина показывает, что исчезновение диска — не одноразовое событие и не результат действия одного механизма. В течение эволюции системы меняется соотношение между магнитными струями, молекулярными ветрами и атомарными потоками, связанными с воздействием излучения звезды.
Что предстоит выяснить
Следующим важным этапом станет определение того, какое количество вещества удаляется каждым из механизмов и в каких частях протопланетных дисков они действуют наиболее эффективно. Нынешние наблюдения позволяют установить общую последовательность изменений, но ещё не дают полной картины распределения потерь массы.
Такие данные необходимы для более точных моделей формирования планет. Если удастся определить, как быстро разные области диска теряют газ и когда конкретные механизмы начинают доминировать, станет возможным лучше оценивать условия, при которых возникают газовые гиганты, а также понимать, почему в одних системах они присутствуют, а в других могут не сформироваться.
Наблюдения 72 молодых систем поэтому важны не только как исследование отдельных ветров и струй. Они показывают, что история планетной системы во многом определяется тем, как долго сохраняется её исходный строительный материал. Для газовых гигантов исчезновение протопланетного диска действительно становится своеобразными часами: пока газ остаётся доступным, формирование продолжается, а после его рассеивания возможность создать богатую газом планету резко сокращается.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
