Формирование планет начинается задолго до того, как вокруг молодой звезды появляется привычная система из каменистых миров, газовых гигантов и многочисленных малых тел. На раннем этапе звезду окружает плотный протопланетный диск — огромный вращающийся резервуар газа и пыли. Именно из этого вещества постепенно возникают планеты.
Однако такой диск существует ограниченное время. Молодая звезда и окружающая её среда непрерывно изменяются, а часть вещества постоянно покидает систему. Новые наблюдения с помощью космического телескопа James Webb позволили подробнее проследить, как со временем меняются процессы, удаляющие газ из протопланетных дисков. Результаты показывают, что планетообразование действительно происходит в условиях своеобразной гонки со временем: особенно это касается газовых гигантов, которым необходимо успеть собрать массивную атмосферу, пока значительная часть газа ещё остаётся вокруг звезды.
Исследование основано на архивных наблюдениях 72 молодых звёздных систем, похожих по своим свойствам на раннее Солнце. Астрономы обнаружили признаки смены главного механизма, который отвечает за потерю газа. На ранних стадиях развития диска важную роль играют потоки вещества, связанные с магнитными полями, а позднее всё большее значение приобретают ветры, возникающие под действием высокоэнергетического излучения звезды.
Протопланетный диск — колыбель будущих миров
Из облака вещества возникает молодая звезда и её окружение
Звёзды рождаются из огромных облаков газа и пыли. Под действием гравитации часть такого вещества сжимается, и в центре постепенно формируется протозвезда. При этом вещество не падает к центру строго по прямой: из-за вращения облака вокруг молодой звезды образуется уплощённая структура — протопланетный диск.
Внутри этого диска находится материал, из которого могут возникнуть будущие планеты. Пылевые частицы сталкиваются и объединяются, постепенно формируя всё более крупные тела. Дальнейшая эволюция приводит к появлению планетезималей и зародышей планет. Газ в диске играет особую роль, поскольку именно он необходим для образования массивных атмосфер газовых гигантов.
Наша Солнечная система около 4,5 миллиарда лет назад также находилась на подобной стадии развития. Вокруг молодого Солнца существовал диск из газа и твёрдых частиц, из которого сформировались планеты, спутники, астероиды и другие тела Солнечной системы.
Газ был главным компонентом раннего диска
Хотя пыль имеет огромное значение для образования твёрдых планет и их ядер, по массе молодые протопланетные диски в основном состоят из газа. В раннем протопланетном диске газа было примерно в сто раз больше, чем пыли.
Лишь часть этого вещества в итоге вошла в состав планет. Значительная доля была постепенно удалена из системы различными процессами. Именно скорость потери газа определяет временное окно, в течение которого могут сформироваться планеты с крупными водородно-гелиевыми оболочками.
Для каменистой планеты отсутствие газа не обязательно означает прекращение дальнейшего развития. Её твёрдое ядро и поверхность могут продолжать эволюционировать. Но для формирования аналога Юпитера или Сатурна ситуация принципиально иная. После рассеивания газового диска у молодой планеты уже не остаётся прежнего огромного резервуара лёгких элементов, из которого можно быстро создать массивную атмосферу.
Почему исчезновение газа определяет судьбу планетной системы
Планетам приходится формироваться в ограниченный срок
Протопланетные диски не сохраняются миллиарды лет. Наблюдения показывают, что их газовая составляющая исчезает сравнительно быстро по астрономическим меркам.
Молодая звезда активно взаимодействует с окружающим веществом. Она продолжает поглощать часть газа, испускает излучение и создаёт потоки частиц. Одновременно вещество в самом диске перемещается и постепенно теряется.
Поэтому формирование планет нельзя рассматривать как процесс, для которого доступно неограниченное количество времени. Особенно важны первые несколько миллионов лет, когда вокруг звезды ещё сохраняется значительный запас газа. Именно в этот период будущие газовые гиганты должны успеть сформировать достаточно массивные ядра и начать быстро накапливать окружающий газ.
Разные планеты зависят от диска по-разному
Каменистые планеты, подобные Земле, Венере или Марсу, в основном состоят из более тяжёлых элементов и соединений. Их формирование связано прежде всего с твёрдым веществом: силикатами, металлами и другими частицами, способными существовать в твёрдой форме в соответствующих областях диска.
Газовые гиганты устроены иначе. Хотя у них также должны существовать массивные ядра, основную часть их массы составляет газ. Юпитер и Сатурн содержат огромное количество водорода и гелия — веществ, которые в ранней Солнечной системе находились преимущественно в газовом состоянии.
Поэтому скорость рассеивания диска особенно важна для объяснения происхождения крупных планет. Если газ исчезает слишком быстро, условия для образования массивного газового гиганта становятся значительно менее благоприятными.
Два механизма постепенно очищают протопланетный диск
Новые наблюдения показывают, что удаление газа из диска нельзя объяснить одним постоянным процессом. По мере развития молодой звезды и самого диска соотношение между различными механизмами меняется.
На раннем этапе большое значение имеют джеты и ветры, связанные с магнитными полями. Позднее, когда звезда и диск эволюционируют, ведущую роль начинают играть процессы, связанные с нагревом поверхности диска высокоэнергетическим излучением звезды.
Эта смена особенно важна, поскольку показывает: протопланетный диск исчезает не просто из-за постепенного равномерного расходования вещества. Механизмы потери газа сами меняются вместе с развитием всей молодой системы.
Магнитные поля управляют ранней потерей вещества
В первые миллионы лет молодая звезда остаётся очень активной. Она продолжает аккрецировать вещество, то есть получать газ из окружающего диска. Магнитные поля в этой системе взаимодействуют с заряженным веществом и способны направлять часть газа прочь от диска.
Газ может двигаться вдоль магнитных силовых линий, формируя магнитогидродинамические ветры. Вблизи звезды также возникают более узкие и быстрые джеты, направленные преимущественно вдоль оси вращения системы.
Такие процессы не только выбрасывают вещество наружу. Плотные внутренние потоки способны экранировать внешние области диска от части высокоэнергетического излучения молодой звезды. В результате другой механизм потери вещества — фотоиспарение — на ранних этапах оказывается менее эффективным.
Как возникают джеты молодых звёзд
В системе молодой звезды вещество диска постоянно взаимодействует с магнитным полем. Внутренние области диска расположены близко к звезде, где магнитные взаимодействия особенно сильны.
Часть газа может получать дополнительное ускорение и направляться вдоль магнитных полей. Так возникают быстрые коллимированные струи — джеты. Они могут переносить вещество на большие расстояния от области формирования звезды.
Подобные выбросы способны создавать так называемые объекты Хербига — Аро — светящиеся участки газа, возникающие при взаимодействии высокоскоростных потоков с окружающей средой.
Магнитные ветры могут защищать внешние области диска
Ранние ветры и джеты выполняют ещё одну важную функцию. Плотный поток вещества во внутренних областях системы может мешать высокоэнергетическим ультрафиолетовым и рентгеновским фотонам проникать далеко во внешние части диска.
Это влияет на дальнейшую эволюцию. Пока внутренние потоки достаточно плотные, фотоиспарение не может столь же эффективно воздействовать на удалённые области диска.
Таким образом, на раннем этапе магнитные процессы не только сами удаляют газ, но и изменяют условия работы другого механизма рассеивания вещества.
Позднее главную роль начинает играть фотоиспарение
Со временем молодая система меняется. Скорость аккреции уменьшается, активные джеты постепенно ослабевают, а внутренние горячие молекулярные ветры становятся менее заметными.
Когда плотность внутренних потоков снижается, высокоэнергетическое излучение звезды получает возможность проникать дальше. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи нагревают поверхностные слои протопланетного диска.
Если газ нагревается достаточно сильно, скорость движения его частиц может стать достаточной для ухода из гравитационного поля в данной области диска. В результате возникает термически обусловленный ветер — поток вещества, обусловленный нагревом, а не прямым действием магнитных полей.
Поскольку высокоэнергетическое излучение способно разрушать молекулы, такой поздний ветер становится преимущественно атомарным. Именно этот переход от молекулярных и магнитно управляемых потоков к атомарным ветрам стал одной из ключевых особенностей исследования.
Для исследования использовали данные 72 молодых систем
Астрономы проанализировали архивные наблюдения, полученные инструментом MIRI на борту космического телескопа James Webb. В выборку вошли 72 молодые звёздные системы с характеристиками, близкими к характеристикам Солнца.
Такое количество объектов позволило изучить не один отдельный протопланетный диск, а сравнить системы, находящиеся на разных стадиях эволюции.
Это особенно важно для астрономии. Продолжительность человеческой жизни слишком мала, чтобы наблюдать полную эволюцию одного протопланетного диска от раннего состояния до окончательного исчезновения. Поэтому учёные восстанавливают общую последовательность изменений, сопоставляя множество объектов разного возраста и с различными характеристиками.
Разные химические сигналы позволили различить механизмы
Для понимания происхождения ветров исследователи использовали излучение разных веществ.
Одним из индикаторов был молекулярный водород. Он может быть связан с горячими потоками и ветрами в молодых системах. Однако один только молекулярный водород не всегда позволяет однозначно установить механизм возникновения наблюдаемого излучения, поскольку его сигнал может происходить из нескольких областей.
Другим важным индикатором стал ионизированный неон. Для его образования требуется воздействие достаточно энергичного ультрафиолетового или рентгеновского излучения, способного ионизировать газ. Поэтому обнаружение такого газа служит значительно более прямым признаком процессов, связанных с фотоиспарением.
Сопоставление этих сигналов позволило проследить, как с течением времени меняется соотношение между различными типами потоков вещества.
Первый этап: активная молодая звезда
В ранние несколько миллионов лет молодая звезда активно получает вещество из диска. Высокая скорость аккреции сопровождается мощными магнитными процессами.
В этот период наблюдаются атомарные джеты, внутренние атомарные ветры и горячие молекулярные потоки. Эти структуры связаны с активной молодой системой и играют важную роль в удалении газа.
Одновременно плотные внутренние потоки могут экранировать внешнюю часть диска. Поэтому высокоэнергетическое излучение звезды не сразу становится главным фактором его разрушения.
Именно эта комбинация процессов определяет раннюю фазу, когда диск ещё остаётся достаточно массивным и планетообразование продолжается наиболее активно.
Второй этап: ослабление аккреции и магнитной активности
По мере эволюции системы приток вещества к звезде уменьшается. Джеты постепенно слабеют, а признаки горячих молекулярных ветров становятся менее выраженными.
Это меняет условия внутри диска. Внутренние области становятся менее плотными, и высокоэнергетическое излучение получает возможность достигать более удалённых участков.
На этом этапе начинают складываться условия для усиления фотоиспарения. Оно постепенно становится всё более важным механизмом потери газа.
Третий этап: ускоренное очищение диска
Когда высокоэнергетическое излучение начинает эффективно нагревать поверхность диска, часть газа получает возможность покидать систему.
Фотоиспарение может также способствовать формированию разреженных областей и полостей. После появления таких структур оставшемуся газу становится легче уходить.
Поэтому очистка диска способна ускоряться. Уменьшение количества вещества меняет его структуру, а изменившаяся структура позволяет ещё эффективнее воздействовать на оставшийся газ.
В результате поздняя стадия может привести к быстрому исчезновению значительной части газового компонента протопланетного диска.
Почему переход от магнитных ветров к фотоиспарению важен для планет
Формирование газовых гигантов зависит от времени
Юпитер, Сатурн и другие газовые гиганты должны были получить большую часть своей массы из вещества протопланетного диска.
Для этого будущей планете недостаточно существовать в виде небольшого каменно-ледяного тела. Ей необходимо достичь стадии, на которой она может эффективно накапливать окружающий газ.
Но возможность такого роста сохраняется лишь до тех пор, пока вокруг звезды существует достаточно плотный газовый резервуар.
Если переход к эффективному фотоиспарению начинается до того, как будущий газовый гигант успел собрать основную часть атмосферы, дальнейшее увеличение его газовой оболочки становится крайне затруднительным.
Время исчезновения диска помогает объяснить разнообразие экзопланет
Наблюдения экзопланет показывают, что планетные системы чрезвычайно разнообразны. Вокруг других звёзд существуют газовые гиганты, мини-нептуны, суперземли и другие типы миров.
На итоговую архитектуру такой системы влияет множество факторов: количество вещества в исходном диске, его химический состав, распределение температуры, движение планет и взаимодействие с молодой звездой.
Скорость исчезновения газа также является одним из важнейших факторов. Два похожих протопланетных диска могут развиваться по-разному, если один из них дольше сохраняет массивный газовый компонент.
Это способно изменить условия, в которых растут будущие планеты, и повлиять на их окончательные размеры и состав атмосфер.
Солнце когда-то было молодой активной звездой
Современное Солнце существует около 4,6 миллиарда лет и находится в относительно стабильной стадии своей эволюции. Но в ранний период оно было значительно более молодой и активной звездой, окружённой протопланетным диском.
Именно в этом диске сформировались Земля, другие планеты, многочисленные спутники, астероиды и кометы.
Следовательно, процессы, наблюдаемые сегодня вокруг молодых солнцеподобных звёзд, помогают лучше понять раннюю историю нашей собственной планетной системы.
Современный телескоп не может увидеть исчезнувший протопланетный диск Солнца, но может наблюдать аналогичные системы на разных этапах их развития.
Исчезновение солнечного диска поставило точку в формировании гигантов
Газовые гиганты Солнечной системы успели сформироваться до того, как окружающий Солнце газовый диск окончательно рассеялся.
После его исчезновения Юпитер и Сатурн уже не могли продолжать рост, используя прежний огромный резервуар водорода и гелия.
Для внутренних каменистых планет исчезновение газа имело другие последствия. Земля и её соседи продолжали сталкиваться с крупными телами и изменяться ещё длительное время. Однако основные условия, характерные для газового протопланетного диска, уже исчезли.
Поэтому рассеивание диска стало одним из важнейших рубежей в истории всей Солнечной системы: оно завершило эпоху, в которой окружающее пространство содержало основной запас материала для формирования газовых атмосфер гигантов.
Наблюдения Webb позволили увидеть общую картину
До появления наиболее чувствительных современных инфракрасных инструментов многие детали процессов в протопланетных дисках было трудно связать в единую наблюдательную последовательность.
Модели давно предполагали, что магнитные ветры, джеты и фотоиспарение способны участвовать в рассеивании вещества. Главный вопрос заключался в том, как именно их вклад меняется с возрастом системы.
Анализ большого набора наблюдений позволил увидеть картину перехода: на ранней стадии более заметны признаки потоков, связанных с активной аккрецирующей молодой звездой и магнитными полями, а по мере ослабления этих процессов возрастает значение фотоиспарения.
Это важно не только для изучения отдельных дисков. Теперь астрономы получают возможность связывать физические процессы удаления вещества с общей последовательностью формирования планетных систем.
Что ещё предстоит выяснить
Учёным необходимо измерить количество теряемого газа
Новые результаты показывают, какие механизмы могут доминировать на разных этапах развития диска. Однако для полного понимания необходимо определить, сколько именно вещества удаляет каждый из этих процессов.
Сам факт существования магнитного ветра или фотоиспарения ещё не даёт полного ответа на вопрос о скорости исчезновения всего диска.
Необходимо установить темпы потери массы и понять, как они изменяются с возрастом молодой системы. Только тогда можно будет точнее определить, сколько времени остаётся у будущих газовых гигантов для формирования массивных атмосфер.
Важна связь между диском и уже формирующимися планетами
Следующий шаг связан с непосредственным изучением того, как процессы рассеивания газа влияют на уже возникшие зародыши планет.
Планета не формируется изолированно. Она развивается внутри диска, который одновременно изменяет свою плотность, температуру и химический состав. Сама растущая планета также может влиять на окружающее вещество, создавая структуры и изменяя движение газа.
Поэтому для полной картины необходимо объединять данные о ветрах, структуре дисков и признаках формирования планет.
Гонка со временем определяет появление газовых миров
Наблюдения 72 молодых систем позволили проследить важную закономерность в эволюции протопланетных дисков. Молодая активная звезда сначала теряет значительное количество вещества через процессы, связанные с магнитными полями, джетами и внутренними ветрами. Позднее, когда аккреция и связанные с ней потоки ослабевают, высокоэнергетическое излучение получает возможность эффективнее нагревать поверхность диска. Тогда ведущим механизмом удаления газа становится фотоиспарение.
Для будущих планет это означает существование ограниченного временного окна. Пока газовый диск остаётся массивным, формирующиеся гигантские планеты могут получать вещество для своих атмосфер. После того как ветры и излучение удаляют большую часть газа, эта возможность практически исчезает.
Исследование помогает понять, что судьба планетной системы определяется не только тем, сколько вещества было в исходном диске. Не менее важен вопрос, как долго этот материал сохраняется и какие процессы удаляют его на разных этапах.
Формирование планет действительно оказывается гонкой со временем. Молодые миры должны успеть пройти ключевые этапы своего роста до того, как среда, из которой они возникли, окончательно исчезнет.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
