Крошечные диски, образующие планеты, раскрывают большой сюрприз в отношении того, как рождаются планеты

В течение многих лет астрономы думали, что знают, как выглядит формирование планет.

Мощные изображения, полученные с помощью Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA), показали впечатляющие диски газа и пыли, кружащиеся вокруг молодых звезд. Некоторые из них были вырезаны в виде красивых колец и темных промежутков, как космические виниловые пластинки. Эти особенности быстро стали одними из самых знаковых изображений в современной астрономии, поскольку они, казалось, давали представление о формировании планет в реальном времени.

Но была загадка. Не все звездные детские выглядели столь драматично.

Многие диски меньшего размера выглядели на удивление простыми. Никаких колец. Никаких пробелов. Никаких явных следов строительства. Просто компактные, гладкие на вид круги пыли, окружающие новорожденных звезд.

Обнаружили ли астрономы два принципиально разных типа планетообразующих систем? Или они что-то упустили?

Новое исследование предполагает, что Вселенная, возможно, хранила тайну.

Используя самое острое зрение ALMA, астрономы глубже заглянули в некоторые из самых маленьких известных планетообразующих дисков и обнаружили скрытые структуры, которые ранее были невидимы. Кольца, разрывы и даже полости внезапно возникли из того, что когда-то выглядело как безликие диски, намекая на то, что процесс образования планет может быть гораздо более универсальным, чем когда-то считали исследователи.

Это открытие не просто меняет взгляд астрономов на молодые планетные системы. Это могло бы помочь преодолеть один из самых больших пробелов в планетарной науке: соединить места, где рождаются планеты, со зрелыми планетными системами, которые мы наблюдаем сегодня.

Каждая звезда рождается в облаке газа и пыли. На ранних стадиях развития звезды останется некоторое количество материала, который сформируется во вращающийся диск вокруг новой звезды. Со временем частицы сталкиваются, слипаются и постепенно превращаются в более крупные тела. Со временем некоторые из них могут стать планетами.

Это хорошо известно. Задача всегда заключалась в наблюдении за самим процессом.

Формирование планет разворачивается на протяжении миллионов лет, а самые ранние стадии скрыты внутри пылевых дисков, которые трудно изучить. К счастью, ALMA, расположенная высоко в пустыне Атакама в Чили, может наблюдать слабое свечение холодной пыли и обнаруживать структуры, невидимые в обычные телескопы.

За последнее десятилетие ALMA изменила наше понимание формирования планет.

Оно показало, что многие крупные протопланетные диски вовсе не гладкие. Вместо этого они содержат сложные кольца, зазоры и полости, которые, кажется, формируют материал, из которого возникают планеты.

Эти структуры имеют значение, потому что они могут улавливать пыль и гальку, создавая среду, в которой могут расти планеты.

Однако давний вопрос остался без ответа. Почему многие компакт-диски выглядели так по-разному?

Чтобы разгадать загадку, команда под руководством Пьетро Куроне из CATA (Центра астрофизики и сопутствующих технологий) и Университета Чили вместе с Гийсом Мюлдерсом, Нинке ван дер Марель и Лаурой Перес решили присмотреться к этому объекту более внимательно.

Исследователи сосредоточились на 11 очень маленьких протопланетных дисках в области звездообразования Люпус, которая является близлежащей областью, где активно формируются молодые звезды.

Вместо того, чтобы использовать ALMA в стандартной конфигурации, исследователи использовали ее самую расширенную антенную схему, эффективно превратив обсерваторию в космическую камеру необычайно высокого разрешения.

Используя длину волны примерно 0,9 мм, команда получила угловое разрешение примерно 0,02 угловых секунды. В зависимости от расстояния до Люпуса угловое разрешение преобразуется в линейный размер размером около 2 а.е., что примерно в два раза больше среднего расстояния Земли от Солнца.

Такой уровень детализации представляет собой самое высокое угловое разрешение, которое ALMA может достичь на этой длине волны.

И то, что выяснилось, было удивительным.

Несколько дисков, которые раньше казались простыми и гладкими, внезапно обнажили сложную внутреннюю архитектуру.

Исследователи обнаружили четкие субструктуры в пределах 10 астрономических единиц центральной звезды в четырех из одиннадцати дисков и нашли намеки на подобные структуры еще в трех.

Одна система, известная как Sz 112, содержала центральную полость, простирающуюся всего на 1,6 а.е. от звезды, что помещало ее в масштабы, сравнимые с внутренней Солнечной системой.

Внезапно системы, которые когда-то считались скучными, стали выглядеть гораздо интереснее.

“Долгое время самые маленькие диски выглядели намного проще, чем большие впечатляющие диски, прославившие ALMA. Мы обнаружили, что по крайней мере часть этой разницы была иллюзией, вызванной разрешением”, объясняет Куроне. «Когда мы приближаемся достаточно далеко, начинают появляться кольца, зазоры и полости даже в этих крошечных системах».

Это немного похоже на вид на горизонт далекого города сквозь туман.

Поначалу здания кажутся нечеткими формами. Но по мере того, как туман рассеивается, появляются скрытые улицы, окна и детали. Город был всегда. Мы не могли этого увидеть.

То же самое может быть справедливо и для многих компактных протопланетных дисков. Полученные данные бросают вызов представлению о том, что маленькие диски представляют собой принципиально иную среду для формирования планет.

Вместо этого данные свидетельствуют о том, что многие компактные системы могут содержать те же типы структур, что и в более крупных дисках. Разница может быть в масштабе.

Большие диски распространяют эти функции на обширные регионы. Компакт-диски втискивают их в области шириной всего в несколько а.е.

Это различие имеет значение, поскольку многие известные экзопланеты вращаются гораздо ближе к своим звездам, чем регионы, традиционно изучаемые в протопланетных дисках.

Предыдущие обзоры ALMA часто обнаруживали структуры, расположенные на расстоянии от нескольких до десятков астрономических единиц от молодых звезд. Однако в бесчисленных планетных системах находятся миры, расположенные гораздо ближе друг к другу.

Таким образом, компакт-диски предоставляют редкую возможность изучить условия в регионах, которые больше напоминают места, в которых в конечном итоге оказываются многие планеты.

«Главный вопрос для нас заключался в том, действительно ли маленьким дискам не хватает структуры, или их характеристики просто выходят за пределы нашего разрешения». объясняет соавтор Малдерс. «Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили новые наблюдения компактных дисков с предыдущими исследованиями ALMA дисков, образующих планеты».

Результаты убедительно указывают на последнее объяснение. Когда команда сравнила компакт-диски с дисками большего размера, обнаружилась интересная закономерность.

Вероятность обнаружения колец и разрывов во многом зависела от того, насколько хорошо был разрешен диск.

Среди чрезвычайно компактных дисков с радиусами от 3 до 10 а.е. структуры обнаруживались примерно в 44% случаев, когда наблюдения могли их выявить.

Для дисков размером от 10 до 30 астрономических единиц уровень обнаружения достигал около 55%. В дисках размером более 30 а.е. уровень обнаружения превышал 90%.

Вместо того, чтобы указывать на то, что маленькие диски фундаментально отличаются, эта тенденция предполагает, что многие структуры могли остаться незамеченными, потому что они были скрыты за пределами предыдущего разрешения.

Другими словами, Вселенная не обязательно давала астрономам другой ответ. Это давало им неполную картину.

“Это хороший пример того, как меняется картина, когда мы увеличиваем разрешение. Диск, который издалека выглядит гладким, может показать богатую внутреннюю структуру, как только мы сможем разделить объекты на расстоянии всего в несколько астрономических единиц”, говорит Перес, соавтор исследования.

На первый взгляд пыльное кольцо вокруг молодой звезды может показаться не особенно интересным.

Но для планетологов эти структуры могут представлять собой одни из самых важных объектов недвижимости в планетарной системе.

Пыль внутри протопланетного диска постоянно движется. Крошечные частицы постепенно теряют угловой момент и направляются по спирали внутрь к звезде. Если не принять меры, большая часть материала, необходимого для строительства планет, может исчезнуть задолго до того, как у планет появится шанс сформироваться.

Кольца и зазоры могут помочь решить эту проблему. Эти структуры могут создавать области измененного давления газа, которые улавливают дрейфующие частицы, действуя как космические пробки.

Вместо того, чтобы погружаться в звезду, пылинки собираются и накапливаются, увеличивая вероятность образования более крупных тел.

Такие «ловушки давления» считаются одними из ведущих механизмов, которые могут обеспечить эффективный рост планеты.

Новые наблюдения показывают, что эти ловушки могут работать на удивление близко к молодым звездам.

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

Такая возможность делает результаты особенно захватывающими. Всякий раз, когда астрономы находят пробелы внутри молодого диска, сразу же возникает один вопрос:

Планета дожила до этого?

Растущая планета может гравитационно воздействовать на окружающий материал, образуя дыры по мере прохождения через диск. Из-за этого кольца и разрывы часто рассматриваются как потенциальные отпечатки пальцев невидимых миров.

Исследователи оценили, какие планеты могут создавать особенности, наблюдаемые в этих компактных системах.

Если за разрыв ответственна одна-единственная планета, расчеты показывают, что планеты в пределах пяти астрономических единиц от звезды могут попасть в диапазон масс суперземли и мини-нептунов.

Это одни из наиболее распространенных типов планет, обнаруженных в галактике.

Что особенно интригует, так это то, что эти потенциальные планеты будут занимать область массы и орбитального расстояния, которую, как известно, трудно изучать напрямую. Они расположены в приятном месте, которое часто находится за пределами досягаемости текущих поисков экзопланет, но при этом их сложно наблюдать в дисках.

«Если планеты ответственны за некоторые из этих пробелов, мы можем видеть признаки планет с относительно малой массой, пока они все еще формируются, на орбитальных расстояниях, к которым раньше было очень трудно получить доступ», — добавляет Краун.

Тем не менее, исследователи призывают к осторожности. Наблюдаемые структуры не являются прямым обнаружением планет.

Некоторые другие физические процессы могут создавать кольца, зазоры и полости внутри дисков. Хотя планетарное объяснение остается в соответствии с наблюдениями, потребуются дополнительные исследования, чтобы точно определить, что вызвало эти особенности.

Это отличительная черта хорошей науки: волнение, сдерживаемое доказательствами. Когда тайна казалась раскрытой, появилась еще одна подсказка.

Предыдущая классификация Sz 73 и Sz 130 как компактных систем подтверждалась наличием слабых расширенных внешних колец, окружающих центральный яркий диск в каждой системе.

Четыре дополнительные системы показали предварительные намеки на аналогичный расширенный материал. Это открывает интригующую возможность. Некоторые диски, считающиеся «маленькими», на самом деле могут вовсе не быть маленькими.

Вместо этого они могут обладать более крупными и тусклыми внешними областями, которые не удалось обнаружить, поскольку они намного тусклее, чем яркий центральный диск.

Если это подтвердится, это еще больше размывает различие между компактными и большими дисками, подкрепляя идею о том, что многие протопланетные системы имеют общую базовую архитектуру.

Это открытие может показаться далеким от повседневной жизни. Ведь эти диски расположены на расстоянии световых лет и представляют собой планетные системы, которые только начинают свой путь.

Но вопросы, которые они затрагивают, глубоко человечны. Каждый атом в земных породах, океанах и живых существах когда-то был частью диска вокруг молодой звезды.

Понимание того, как эти диски создают планеты, в конечном итоге связано с пониманием нашего собственного происхождения.

Недавно обнаруженные структуры приближают астрономов к наблюдению за окружающей средой, в которой начинают формироваться миры, подобные тем, что есть по всей нашей галактике.

Возможно, что еще более важно, они помогают соединить две разные эпохи планетарной эволюции: рождение планет и зрелые планетные системы, которые мы наблюдаем миллиарды лет спустя.

Наконец, разрешив объекты размером всего в несколько астрономических единиц, ALMA начинает восполнять этот пробел.

Телескоп показывает, что сложные структуры, образующие планеты, могут встречаться даже в местах, которые когда-то казались пустыми и ничем не примечательными.

В этом открытии содержится важный урок: некоторые из наиболее сокровенных тайн природы могут быть упущены из виду просто потому, что мы не нашли время, чтобы наблюдать за ними более внимательно, а не из-за их редкости.

Будущие наблюдения позволят нам увидеть больше деталей и наблюдать эти системы в других типах света (длин волн). Астрономы, вероятно, обнаружат, что многие диски, которые мы считали очень простыми, на самом деле являются «фабриками», производящими планеты.

Кольца были там все время. Теперь мы впервые наконец-то можем их увидеть.

Ссылка на журнал:

1. Пьетро Куроне, Гийс Д. Малдерс, Нинке ван дер Марель и Лаура М. Перес. Исследование формирования планет в пределах 10 а.е.: пылевые субструктуры в чрезвычайно компактных протопланетных дисках. Письма астрофизического журнала. DOI 10.3847 /2041-8213/aeaa3c