Астрономы обнаружили признаки кометоподобных тел, проходящих через внутреннюю область молодой планетной системы PDS 70. На их существование указывают быстро меняющиеся линии поглощения натрия в спектре звезды. Наблюдаемое поведение газа хорошо согласуется с картиной, которую можно ожидать от небольших тел на вытянутых орбитах, нагревающихся при приближении к своей звезде и теряющих вещество в результате сублимации.
PDS 70 особенно интересна тем, что система находится на очень раннем этапе формирования. Её возраст составляет около 5,4 млн лет, а вокруг звезды уже существуют как минимум две планеты гигантского типа. При этом в самой внутренней части протопланетного диска ранее обнаружили водяной пар. Новое исследование предполагает, что часть этого водяного резервуара могла быть связана с переносом вещества из холодных внешних областей системы кометоподобными телами.
Однако речь пока не идёт о прямом наблюдении отдельных экзокомет. Исследователи регистрируют их возможный газовый след в спектре звезды и сопоставляют свойства этого газа с известными признаками экзокомет в других системах. Поэтому наиболее корректно говорить о свидетельствах в пользу экзокометной природы наблюдаемого вещества, а не о непосредственном фотографировании комет.
PDS 70 — молодая система с уже сформировавшимися гигантскими планетами
PDS 70 представляет собой молодую звезду спектрального класса K7, относящуюся к звёздам типа Т Тельца. Она находится примерно в 370 световых годах от Земли в направлении созвездия Центавра. Масса звезды составляет около 0,76 массы Солнца, а её радиус примерно в 1,26 раза превышает солнечный.
Возраст системы оценивается примерно в 5,4 млн лет. Для звёздных и планетных систем это очень ранний этап эволюции: протопланетный диск ещё сохраняется, а формирование планет продолжается. Именно поэтому PDS 70 позволяет наблюдать процессы, которые в Солнечной системе происходили миллиарды лет назад и давно завершились.
В системе уже известны две планеты-гиганта
Вокруг PDS 70 непосредственно обнаружены две протопланеты — PDS 70 b и PDS 70 c. Их орбиты проходят внутри большого разрыва в протопланетном диске. Большая полуось орбиты PDS 70 b составляет примерно 20,6 астрономической единицы, а PDS 70 c находится примерно в 34,5 астрономической единицы от звезды. Обе планеты расположены внутри области шириной около 36 астрономических единиц, разделяющей внутреннюю и внешнюю части диска.
Внутренний диск простирается примерно до 18 астрономических единиц, тогда как внешний начинается примерно с 54 астрономических единиц и продолжается до 87 астрономических единиц. Таким образом, между двумя частями диска существует значительный разрыв, в котором находятся две известные планеты-гиганта.
Именно эта структура имеет большое значение для нового результата. Планеты не просто находятся в системе: своим притяжением они способны менять орбиты более мелких тел. В определённых условиях планетезимали, находящиеся во внешней части диска, могут получить дополнительную энергию при гравитационных взаимодействиях и перейти на сильно вытянутые орбиты.
Внутри системы уже обнаруживали воду
Особый интерес к PDS 70 возник ещё до обнаружения признаков экзокомет. Наблюдения с помощью космического телескопа James Webb показали наличие водяного пара во внутренней части диска.
Вода находится очень близко к звезде — примерно в пределах 0,05 астрономической единицы. Температура этого водяного резервуара оценивается примерно в 600 К. Эта область расположена внутри зоны, где потенциально могли бы формироваться землеподобные планеты.
Происхождение воды оставалось неясным. Среди возможных объяснений рассматривалось образование воды непосредственно во внутреннем диске в результате химических процессов, а также перенос вещества из внешних областей диска мелкими ледяными частицами, способными перемещаться вместе с газом.
Теперь появилась ещё одна возможность: воду могли приносить более крупные тела, которые формировались в холодной внешней части системы, а затем под воздействием планет переходили на орбиты, ведущие к звезде.
Как в спектре звезды обнаружили возможные экзокометы
Найти отдельную комету у звезды, находящейся в сотнях световых лет, чрезвычайно сложно. Даже если такое тело имеет километровый размер, оно практически неразличимо непосредственно на фоне звезды и протопланетного диска.
Вместо этого астрономы ищут вещество, которое комета теряет при приближении к звезде. Когда ледяное или каменистое тело оказывается в достаточно горячей области, его вещество начинает переходить в газообразное состояние. Образуется разреженное облако, которое способно пройти перед звездой и оставить характерный след в её спектре.
Именно такой подход применили к PDS 70.
Натрий оказался ключевой подсказкой
Исследователи изучили архивные спектры PDS 70, полученные спектрографом HARPS. Всего были проанализированы 52 спектра, полученные в разные ночи в 2018, 2019 и 2020 годах. Особенно подробные наблюдения относятся к 2018 году: тогда систему наблюдали в течение 12 ночей на протяжении примерно 46 дней.
В спектре обнаружились дополнительные линии поглощения нейтрального натрия. Они выделялись на фоне обычных натриевых линий фотосферы звезды и, что особенно важно, не оставались постоянными.
Количество, интенсивность и скорость этих компонентов менялись от ночи к ночи. В некоторых случаях различия становились заметными даже между наблюдениями, разделёнными несколькими часами. Такая изменчивость существенно отличается от поведения обычных стационарных компонентов спектра PDS 70.
Всего в данных 2018 года исследователи выделили 43 переменных компонента линий натрия. Их лучевые скорости относительно звезды находились примерно в диапазоне от −25 до −115 км/с.
Газ закрывает только часть диска звезды
Спектральный анализ показывает, что натрий находится в достаточно плотных, оптически толстых облаках. При этом они закрывают не всю видимую поверхность звезды, а лишь её часть.
По оценкам, отдельные облака могли перекрывать примерно от 10 до 90% проецируемого диска звезды, причём более 90% полученных измерений дают значение ниже 80%. Это указывает на компактную или клочковатую структуру поглощающего вещества.
Для каждого компонента была также оценена ширина спектральной линии — примерно от 2 до 10 км/с. Расчёты дали столбцовые плотности нейтрального натрия от 2,4 × 10¹¹ до 7,1 × 10¹² атомов на квадратный сантиметр, со средним характерным значением около 3,4 × 10¹².
Эти величины позволяют оценить хотя бы минимальную массу натрия в отдельных облаках. Полученный диапазон составляет примерно от 1,3 × 10⁸ до 3,9 × 10⁹ кг натрия. Это именно оценка минимальной массы: если облако простирается за пределы видимого диска звезды, реальная масса может быть больше.
Почему исследователи связали натрий с экзокометами
Само наличие переменного натрия ещё не означает автоматически присутствие комет. В молодых звёздных системах существуют мощные потоки газа, способные создавать похожие спектральные признаки. Поэтому одной из основных задач исследования было отделить возможные экзокометы от ветра, исходящего из протопланетного диска.
Дисковый ветер действительно существует
У PDS 70 уже имеются признаки ветра, связанного с диском. В частности, ранее наблюдались смещённые в синюю сторону спектральные линии гелия, указывающие на истечение газа из внутренних областей системы.
Поэтому переменные линии натрия первоначально нельзя было однозначно считать кометными. Дисковый ветер также способен создавать поглощение со смещением в сторону коротких длин волн, поскольку газ движется в направлении наблюдателя.
Однако характер изменения новых натриевых линий оказался необычным для такого объяснения. Переменные компоненты появлялись и исчезали на коротких временных интервалах, а их лучевые скорости заметно менялись от одного наблюдения к другому. При этом подобная суточная изменчивость не была обнаружена для других исследованных видов вещества в спектре HARPS.
Исследователи пришли к выводу, что именно экзокометная интерпретация лучше объясняет совокупность наблюдаемых свойств, хотя окончательно исключить все альтернативные механизмы пока невозможно.
Почему важна вытянутая орбита
Большинство переменных натриевых линий имеет синее смещение относительно звезды. Если предположить, что наблюдаемый газ движется вместе с кометоподобным телом, это означает наличие значительной составляющей скорости вдоль луча зрения.
Для обычного тела на близкой круговой орбите картина была бы другой: его скорость относительно звезды не давала бы такого устойчивого сильного доплеровского смещения во время прохождения перед звездой. Наблюдаемая картина лучше согласуется с телами на сильно вытянутых орбитах.
Высокие скорости также указывают, что наблюдаемые объекты могут находиться недалеко от точки ближайшего сближения со звездой — перицентра. Именно в этой области нагрев тела должен быть особенно сильным, а потеря вещества наиболее интенсивной.
Таким образом, наблюдаемая последовательность выглядит физически связной: небольшое тело движется по вытянутой орбите, приближается к звезде, нагревается, начинает активно терять вещество, а образовавшееся облако газа на короткое время проходит перед звездой и изменяет её спектр.
Размер возможных экзокомет может составлять около километра
Спектральные данные позволяют сделать ещё одну интересную оценку. Исследователи сравнили количество обнаруженного натрия с типичным содержанием этого элемента в веществе метеоритов.
Если предположить, что весь зарегистрированный натрий произошёл от одного планетезималя и был полностью высвобождён, то минимальная масса такого тела могла бы составлять примерно от 2,5 × 10¹⁰ до 7,8 × 10¹¹ кг.
При условии плотности, характерной для каменистого тела, это соответствует диаметру примерно от 0,3 до 1,1 км. Если использовать более низкую плотность, характерную для кометоподобного материала, диапазон увеличивается примерно до 0,5–1,4 км.
Но эти значения нельзя воспринимать как прямое измерение размеров конкретных комет. Расчёт предполагает, что всё зарегистрированное количество натрия произошло от одного тела и что оно потеряло практически весь соответствующий материал. Кроме того, измеряется только натрий, а не вся масса кометы.
Поэтому правильнее говорить, что наблюдаемые облака натрия могут быть объяснены сублимацией планетезималей километрового масштаба при принятых предположениях.
Как планеты-гиганты могут отправлять кометы к звезде
Если экзокометы действительно существуют в PDS 70, возникает следующий вопрос: откуда они берутся и каким образом оказываются на столь вытянутых орбитах?
Наиболее естественный вариант связан с гравитационным взаимодействием с уже сформировавшимися планетами.
Внешняя часть диска содержит более холодное вещество. В такой области летучие соединения, включая воду, могут существовать в форме льда. Если небольшое тело из этой области достаточно сильно взаимодействует с массивной планетой, его орбита может существенно измениться.
В результате планетезималь способен перейти на вытянутую орбиту, которая уводит его из внешнего диска во внутренние области системы.
Численные модели поддерживают такой сценарий
Для проверки этой идеи были проведены численные моделирования движения планетезималей. В них использовались две конфигурации: только две подтверждённые планеты PDS 70 b и c либо эти две планеты вместе с предполагаемой третьей планетой PDS 70 d.
В качестве исходного материала было взято 10 000 виртуальных безмассовых частиц, распределённых во внешнем диске на расстояниях от 54 до 87 астрономических единиц. Движение частиц рассчитывалось в течение 5 млн лет — примерно столько же, сколько оцениваемый возраст самой системы.
Моделирование показало, что гравитационное взаимодействие с планетами действительно способно переводить часть частиц на более эксцентричные и наклонённые орбиты. Некоторые из них получают перицентры внутри 18 астрономических единиц, то есть пересекают границу внешней области диска.
Особенно существенным оказался вклад PDS 70 c. Частицы, первоначально расположенные ближе к этой планете, чаще испытывали рассеяние внутрь системы. При этом механизм работает и для объектов, находящихся дальше от планеты. Расчёты указывают, что определённую роль могут играть низкопорядковые орбитальные резонансы.
Это не доказывает, что именно таким способом все наблюдаемые натриевые облака попали во внутреннюю часть системы. Но моделирование показывает, что известная архитектура PDS 70 физически способна создавать условия для подобного перемещения планетезималей.
Вода могла перемещаться из внешнего диска во внутренний
Именно здесь наблюдения натрия приобретают более широкое значение. В молодой планетной системе внешний и внутренний диски могут существенно различаться по температуре и составу.
Холодные внешние области являются естественным местом для сохранения льдов. Вблизи звезды лёд уже не может существовать в исходном состоянии, поэтому принесённое вещество испаряется и становится частью окружающего газа.
Если планетезимали действительно регулярно отправляются из внешнего диска на близкие к звезде орбиты, они способны переносить туда летучие вещества. В их число может входить вода, а также другие соединения, имеющие значение для химического состава будущих планет.
Связь с обнаруженным водяным паром пока остаётся гипотезой
Внутренний водяной пар PDS 70 действительно существует как наблюдаемый компонент системы. Но новое исследование не измерило количество воды, которое принесли экзокометы, и не доказало, что именно они являются основным источником этого вещества.
Авторы рассматривают экзокометный перенос как возможное объяснение, которое хорошо вписывается в обнаруженную архитектуру системы. В то же время остаются и другие механизмы: вода может формироваться непосредственно во внутреннем диске либо поступать туда вместе с небольшими пылевыми частицами, способными пересекать область между внешним и внутренним дисками.
Поэтому результат важен прежде всего тем, что демонстрирует физически правдоподобный путь доставки вещества из холодных областей молодой системы в горячую область, где могут формироваться землеподобные планеты.
Наблюдения 2026 года усиливают интерес к системе
Есть ещё одна важная деталь. Хотя основной анализ основан на архивных спектрах HARPS 2018 года, последующие наблюдения показывают, что активность не обязательно была кратковременным явлением.
Новые спектры PDS 70, полученные в 2026 году с помощью инструмента UVES, также демонстрируют переменные натриевые линии. В них присутствуют как синие, так и отдельные красные смещения, хотя переменность по-прежнему преимущественно наблюдается на синей стороне спектра.
Полный анализ этих новых данных ещё предстоит. Поэтому они пока рассматриваются как свидетельство продолжения активности, а не как часть окончательной статистической проверки экзокометной модели.
Появление красных компонентов также интересно с точки зрения геометрии движения. Оно показывает, что картина сложнее простой последовательности одинаковых объектов, всегда движущихся в одном направлении относительно наблюдателя.
Где именно находятся эти экзокометы
Определить точное расстояние от звезды по одному доплеровскому смещению невозможно. Тем не менее спектральные скорости позволяют ограничить возможные области движения при определённых предположениях об орбитах.
Для самых медленных обнаруженных компонентов возможны расстояния вплоть до нескольких астрономических единиц, тогда как наиболее быстрые компоненты должны находиться значительно ближе к звезде. В расчётах рассматривается широкий диапазон возможных перицентров.
Интересно, что оценка температуры, необходимой для быстрого высвобождения натрия, при некоторых предположениях указывает на область около 0,05 астрономической единицы. Это примерно совпадает с областью, в которой наблюдается водяной пар.
Однако исследователи специально подчёркивают, что такое совпадение нельзя считать окончательным определением орбит экзокомет. Температура сублимации натрия зависит от состава тела, его гравитации и условий окружающей среды. Кроме того, натрий способен высвобождаться из твёрдого материала на гораздо больших расстояниях от звезды.
Поэтому точное положение наблюдаемых тел пока остаётся неопределённым. Для его определения потребуются более совершенные модели процессов испарения и движения вещества в хвостах экзокомет.
PDS 70 помогает увидеть раннюю историю планетных систем
Главная ценность этого результата заключается не только в возможном обнаружении ещё одного семейства экзокомет. PDS 70 предоставляет редкую возможность изучать сразу несколько связанных процессов в одной молодой системе: формирование планет, структуру протопланетного диска, динамическое рассеяние малых тел и присутствие воды в области формирования землеподобных планет.
В Солнечной системе подобные процессы происходили в далёком прошлом. Сегодня у нас есть возможность исследовать их последствия, но практически нет возможности непосредственно наблюдать исходную систему Земли и Солнца на стадии её формирования.
PDS 70 в этом отношении представляет собой естественную лабораторию. Здесь уже существуют две массивные планеты, между внутренним и внешним дисками находится крупный разрыв, а в непосредственной близости от звезды присутствует вода. Если переменные натриевые линии действительно связаны с экзокометами, исследователи получают ещё один элемент общей картины.
Что ещё предстоит выяснить
Пока остаются открытыми сразу несколько вопросов. Необходимо установить, сколько именно подобных тел находится в системе, как распределены их орбиты и какое количество вещества они способны переносить во внутреннюю область.
Особенно важно понять, достаточно ли наблюдаемой популяции планетезималей для объяснения обнаруженного водяного пара. Само по себе наличие экзокомет не означает, что именно они являются главным источником воды.
Не до конца определена и архитектура внутренней части PDS 70. Существуют указания на возможную третью планету PDS 70 d, расположенную примерно в 13,5 астрономической единицы от звезды, однако её существование пока не подтверждено. Наличие или отсутствие дополнительных планет существенно влияет на расчёты движения малых тел.
В будущих исследованиях особенно полезными станут наблюдения с более мощными телескопами. В частности, строящийся Чрезвычайно Большой телескоп позволит искать новые планеты в системе и подробнее изучать её структуру.
Если дополнительные наблюдения подтвердят существование популяции экзокомет и покажут, что их орбиты действительно формируются под воздействием планет-гигантов, PDS 70 станет одним из наиболее наглядных примеров того, как массивные планеты могут управлять движением небольших тел в молодой планетной системе.
Пока наиболее осторожный вывод заключается в следующем: спектр PDS 70 содержит быстро меняющиеся натриевые поглощения, свойства которых хорошо соответствуют газу, образующемуся при разрушении или сублимации небольших тел на вытянутых орбитах. Численные расчёты показывают, что известные планеты системы способны рассеивать планетезимали из внешнего диска внутрь. А обнаруженная ранее вода в непосредственной близости от звезды делает возможную доставку летучих веществ особенно интересной. Всё это складывается в правдоподобную картину, но окончательно установить, какая именно доля воды поступила благодаря экзокометам, ещё предстоит.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
