Аннотация:
Наблюдения за десятками молодых звезд, подобных Солнцу, с помощью космического телескопа НАСА Джеймса Уэбба (JWST) показывают, что силы, которые вытягивают газ из планетообразующих дисков, изменяются по мере взросления звездных систем.
Газ, используемый для создания планет вокруг молодых звезд, продолжает исчезать. Новые наблюдения телескопа Уэбб показывают, что эта потеря газа не происходит одинаково на всех стадиях ранней эволюции планетной системы. Вместо этого звездные ветры, ответственные за перенос материала из системы, по-видимому, меняются по мере старения системы.
В этом исследовании, проведенном Наманом Баджаджем из Университета Аризоны и при участии Умы Голди, ученого из Института SETI, были проанализированы протопланетные диски вокруг 72 молодых звезд, подобных Солнцу. На сегодняшний день это одно из крупнейших исследований формирования планет телескопом Уэбба. Исследование показало, что на разных стадиях эволюции протопланетного диска будут доминировать разные механизмы газоотделения. Соответствующие результаты опубликованы в Astronomical Journal.
Удивительно, сказал Голди, что исследователи теперь могут наблюдать, используя большие выборки молодых звезд, как механизмы очистки газа из планетообразующих дисков изменяются с течением времени. Рассеяние протопланетного диска устанавливает основные часы формирования планет: как только газ исчезнет, вероятность формирования богатой газом планеты-гиганта практически исчезнет.
Сегодняшней Солнечной системе около 4,5 миллиардов лет, и большая ее часть пуста. Однако в первые несколько миллионов лет после рождения Солнца молодое Солнце было окружено плотным протопланетным диском, в котором масса газа примерно в 100 раз превышала массу пыли. Со временем большая часть этого газа исчезает.
Скорость исчезновения газа имеет решающее значение, поскольку газ в протопланетном диске является сырьем для формирования планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Если газ рассеется преждевременно, планеты могут не успеть создать значительную атмосферу.
Баджаи и его коллеги использовали архивные наблюдения с помощью среднего инфракрасного прибора (MIRI) телескопа Уэбб, чтобы реконструировать эволюцию протопланетного диска. Эти 72 звездные системы находятся на разных стадиях развития молодых планетных систем. Исследователи объединили их в эволюционную последовательность, чтобы проследить, как механизмы очистки газа из протопланетных дисков меняются с возрастом.
В исследовании также проверяются теоретические предсказания, сделанные до того, как телескоп Уэбба смог напрямую наблюдать рассматриваемую материю. В 2020 году профессор Лунной и планетарной лаборатории Илария Паскуччи выступила вторым автором статьи и наставником Баджаджа. Однажды она возглавляла команду по изучению эволюции джетов и звездных ветров. В то время исследователи не могли напрямую наблюдать молекулярный водород, поскольку телескоп Уэбба еще не был запущен в эксплуатацию, но они предсказывали, что в молодых звездных системах могут существовать молекулярные ветры, достаточно массивные, чтобы блокировать рентгеновские фотоны. На этот раз телескоп Уэбба подтвердил это предсказание, напрямую отслеживая молекулярный водород.
Исследователи сосредоточились на сигналах двух газов, выходящих из протопланетного диска: молекулярного водорода и ионизированного неона. Молекулярный водород — самая распространенная молекула в протопланетных дисках. Превосходная чувствительность и пространственное разрешение телескопа Уэбба позволили исследователям отличить широкий спектр молекулярных водородных ветров от струй с неоновыми следами и звездных ветров.
В самых молодых звездных системах вещество все еще падает к центральной звезде. Телескоп Уэбб обнаружил, что эти системы имеют сильные струи и широкие потоки, содержащие как молекулярные, так и атомные газы. Их характеристики согласуются со звездными ветрами, вызываемыми магнитными полями, проникающими через протопланетный диск. Газ может двигаться наружу вдоль силовых линий магнитного поля, забирая при этом массу и угловой момент.
По мере взросления звездной системы к центральной звезде попадает все меньше материала, струя начинает ослабевать, а доля атомарного газа в истечении становится все выше и выше. Благодаря меньшему количеству материала, блокирующего высокоэнергетическое излучение, высокоэнергетическое излучение, испускаемое молодыми звездами, способно проникать глубже в протопланетный диск и нагревать газ настолько, что он ускользает. Этот процесс называется фотоиспарением.
Голди провел десятилетия, изучая эволюцию протопланетных дисков и процессы потери газа, включая роль ультрафиолетового и рентгеновского излучения в создании фотоиспарительных ветров. Телескоп Уэбб теперь связал это теоретическое исследование с практическими измерениями посредством наблюдений за десятками молодых звездных систем. Наблюдения показывают, что по мере старения протопланетных дисков важность фотоиспарения возрастает, в то время как управляемые магнитным полем струи и звездные ветры постепенно ослабевают.
Наблюдения показывают, что диссипация протопланетных дисков не контролируется единым механизмом. Молодые планетные системы, по-видимому, переживают переход от доминирования мощных струй, управляемых магнитным полем, и звездных ветров на ранних стадиях к постепенному доминированию истечения атомного газа, включая фотоиспарительные ветры.
Изменения в этом доминирующем механизме определяют, как долго планета сможет получать газы, необходимые для образования.
Формирование планет — это на самом деле гонка со временем, — сказал Баджадж. Газовый гигант, такой как Юпитер, должен создать массивную атмосферу, пока его протопланетный диск еще достаточно велик, чтобы обеспечить непрерывную поставку газа; в противном случае звездные ветры и струи унесли бы это сырье в космос.
Из 72 протопланетных дисков 66 демонстрируют широкий спектр выбросов молекулярного водорода и ионизированного неона. Исследователи обнаружили конические молекулярные водородные ветры в 46 системах и высокоскоростные неоновые струи в 40 системах. Все протопланетные диски с неоновыми струями также демонстрируют признаки звездных ветров, прослеживаемых молекулярным водородом или кислородом.
Этот новый анализ основан на предыдущих наблюдениях команды с помощью телескопа Уэбба. В 2024 году Баджадж, Голди и их коллеги сделали изображение, показывающее, что диск, образующий планету вокруг молодой звезды T Cha, теряет газ.
Предыдущие исследования доказали, что телескоп Уэбба может напрямую наблюдать процесс диссипации протопланетных дисков в отдельной планетной системе. Исследование распространяет этот подход на десятки молодых звезд, показывая, как относительная важность джетов, молекулярных и атомных ветров меняется по мере взросления звездных систем.
Далее исследователи надеются определить, сколько газа эти звездные ветры уносят в разное время и какие области протопланетного диска служат источником материала для выходящего газа. Ожидается, что эти измерения не только покажут, насколько быстро закрывается окно формирования планет, но также могут помочь ученым точно определить, где в протопланетном диске могли образоваться различные типы планет до того, как исчез доступный газ.
Комментарии