Что скрывают протопланетные диски

Ученые, наблюдая звезду HD 141569A из созвездия Весов, предположили, что у нее формируется планетная система, источником материала для которой служат частицы облака из газа и пыли — протопланетного диска. Подобное обнаружили у многих молодых звезд, и астрономы активно этим занимаются, ведь каждое открытие в данной области приближает нас к пониманию того, как образовалась наша планета и как возникла жизнь.

Первые открытия

Давно ушли в прошлое времена, когда ученые спорили, существуют ли планетные системы, помимо нашей Солнечной. Открыто уже свыше четырех тысяч экзопланет в более чем трех тысячах планетных систем. А по общим оценкам, в галактике Млечный Путь не менее 100 миллиардов планет.

Считается, что экзопланеты образуются из частиц протопланетных дисков, которые формируются вокруг протозвезд на ранних стадиях их развития. Предполагается, что из такого же облака возникли планеты Солнечной системы.

Концептуальная схема происхождения Солнечной системы: 1, 2 — распад молекулярного облака и формирование протопланетного диска; 3 — расщепление протопланетного диска на отдельные кольцевые скопления твердых частиц; 4 — рождение планетезималей; 5 — столкновения и взаимодействия планетезималей приводят к образованию планет

В принципе, находить в космосе протопланетные облака даже легче, чем экзопланеты. Во-первых, они намного больше. Во-вторых, их легко различить на фоне звезды: если от звезды исходит неполяризованный свет, электрические и магнитные поля которого ориентированы случайным образом, то отраженный от протопланетного диска свет поляризован.

Первый протопланетный диск открыли в 1984 году у звезды β Живописца. В 1994-м космический телескоп "Хаббл" обнаружил массивные пылевые диски более чем у половины звезд в туманности Ориона — области в 1500 световых лет от Земли. Стало ясно, что через стадию протопланетного диска проходят все планетные системы.

Результаты "Хаббла" позволили объяснить, почему весь материал газопылевого облака не падает на новорожденную звезду из-за гравитации: слишком быстрое вращение заставляет его распределяться вокруг массивного объекта широким плоским диском.

В 1998 году субмиллиметровый болометр SCUBA инфракрасного телескопа Джеймса Кларка Максвелла на горе Мауна-Кеа (Гавайи) выявил пылевые диски у Веги (α Лиры) и Фомальгаута (α Южной Рыбы).

Короткий век протопланетных дисков

В 2001 году американские ученые в обзоре протопланетных дисков в молодых звездных кластерах возрастом от 0,3 до 30 миллионов лет сделали вывод о том, что изначально массовая доля пыли там очень высокая — более 80 процентов, а затем быстро снижается и половина звезд возрастом старше трех миллионов лет — уже без дисков. Среднюю продолжительность жизни дисков они оценили в шесть миллионов лет. По космическим меркам это очень мало, поэтому те диски, которые видят астрономы, — довольно редкое и кратковременное явление.

Есть и первый кандидат на звание самой короткоживущей протопланетной системы. В июле 2012 года астрономы из США и Австралии сообщили об исчезновении диска у молодой, возрастом всего около десяти миллионов лет, звезды TYC 8241 2652 1 в созвездии Кентавра (460 световых лет от Земли). В 2008-м там увидели пылевой диск. В 2009-м его яркость уменьшилась на две трети, а к 2010-му он стал почти неразличим. То есть диск исчез всего за три года, что пока абсолютный рекорд.

Ученые выдвинули диаметрально противоположные теории, объясняющие столь быстрое исчезновение диска. Его частицы были притянуты звездой либо отброшены в космос в результате каких-то мощных гравитационных взаимодействий. Иначе следует признать, что образование планет происходит намного быстрее, чем принято считать.

ALMA позволил увидеть детали

Огромные возможности для изучения экзопланет и протопланетных облаков открылись благодаря установке SPHERE крупнейшего оптического телескопа VLT (Very Large Telescope) и комплекса радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter Array) в чилийской пустыне Атакама.

Комплекс ALMA, работающий в диапазоне волн 0,3-10 миллиметров, соответствующем температурам от одного до 50 градусов Кельвина, в отличие от оптических и инфракрасных телескопов, способен различить даже самые холодные частички пыли и молекулы газов протопланетных облаков температурой около 30 градусов Кельвина. Неудивительно, что первый же большой проект, запущенный на ALMA, — DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) — был посвящен изучению протопланетных дисков ближайших звезд. Результаты первого этапа, завершившегося в декабре 2018 года, были настолько впечатляющими, что журнал Astrophysical Journal Letters посвятил им отдельный выпуск.

Телескоп ALMA с беспрецедентным разрешением заснял протопланетные диски около 20 молодых звезд возрастом от одного до нескольких миллионов лет. Эти удивительные изображения опубликованы в специальном релизе Национальной радиоастрономической обсерватории США (NRAO).

20 изображений протопланетных дисков, полученных в рамках проекта DSHARP комплекса радиотелескопов ALMA

Снимки демонстрируют множество сложных элементов протопланетных дисков: кольца, концентрические разрывы, спиральные структуры, двойные системы. Чувствительность радиотелескопов позволила выявить детали размером в несколько астрономических единиц (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 миллионов километров) в пределах структур радиусом от нескольких до 100 астрономических единиц. Увиденное вызвало научную дискуссию о том, каким образом и как быстро формируются планеты в протопланетных дисках.

Разрывы в дисках — следы планет или снеговые линии?

Согласно общепринятой гипотезе, разрывы в дисках пыли и газа у молодых звезд свидетельствуют о формировании молодых планет, чьи "зародыши", двигаясь по орбите, гравитационно поглощают частицы диска или, наоборот, рассеивают их, оставляя пустой вырез. Это наблюдают сегодня в кольцах Сатурна, где спутники вращаются по расчищенным от материала коридорам.

Значит, характерные пробелы в десятки и сотни астрономических единиц свидетельствуют о продвинутом этапе формирования планет и достаточно солидном возрасте системы. Однако в 2014 году астрономы ALMA увидели разрывы в диске очень молодой звезды — HL Тельца возрастом миллион лет (450 световых лет от нас). Ее диск в два с лишним раза больше диаметра орбиты Нептуна, и в нем четко видны девять темных колец, самое маленькое из которых близко по размеру к орбите Сатурна.

Протопланетный диск HL Тельца

В феврале этого года в журнале The Astrophysical Journal опубликована обзорная статья о 16 других протопланетных дисках звезд возрастом от 0,5 миллиона до десяти миллионов лет с разрывами и кольцами. И это очень плохо укладывается в гипотезу о том, что разрывы — это орбиты образования планет. Тогда следует допустить, что они формируются слишком быстро.

Не подтверждается гипотеза и результатами моделирования. Компьютерные симуляции формирования планет в протопланетных дисках, изученных в рамках проекта DSHARP, показали, что для образования наблюдаемых разрывов во внешних регионах дисков должны вращаться объекты в 2000 раз тяжелее Земли. В распоряжении большинства звезд просто нет столько материи, считают авторы.

Единственный факт доказанного планетообразования астрономы наблюдали в разрывах протопланетного диска молодой звезды PDS 70 в созвездии Центавра (370 световых лет от Земли). В 2018-м там обнаружили протопланету PDS 70 b в разрыве диска, а в 2019-м — и вторую, PDS 70 c.

В качестве альтернативного объяснения предложили так называемую гипотезу снеговых линий: концентрические пробелы в дисках — это фронты конденсации водяного пара, аммиака или гидратов аммиака, переходящих в твердое состояние на определенном расстоянии от звезды по мере падения температуры. Однако доказать, что наблюдаемые разрывы соответствуют снеговым линиям основных молекул, так и не удалось.

Как бы то ни было, экзопланеты ищут прежде всего именно в кольцах протопланетных дисков, особенно у крупных газовых гигантов.

Ученые считают, что первый этап образования планет — от отдельных пылинок до объекта размером несколько километров — происходит по астрономическим меркам очень быстро. Проект DSHARP продемонстрировал, что большие планеты, похожие на Нептун или Сатурн, формируются намного быстрее, чем это следует из теоретических построений. Такие планеты чаще рождаются на окраинах систем, на огромных расстояниях от материнской звезды.

Спиральные рукава

В 2012 году сообщили об обнаружении не менее шести протопланетных дисков со спиральными рукавами. Наблюдения производились на телескопе Subaru японской Национальной астрономической обсерватории на горе Мауна-Кеа (Гавайи).

Согласно компьютерным симуляциям, такие структуры могут быть созданы зарождающимися гигантскими планетами, такими же или большими по размеру, чем Юпитер. Каждый раз планета окажется прямо на кончике одного из двух рукавов и будет тащить за собой спираль, двигаясь по орбите.

В недавней работе, вышедшей в The Astrophysical Journal Letters, команда под руководством Бина Рена (Bin Ren) из Университета Джонса Хопкинса, обобщила данные по спиральному облаку звезды MWC 758, за которой наблюдали более десяти лет. Завитки спирали ежегодно поворачивались примерно на 0,6 градуса. По мнению авторов, это соответствует гигантской планете, находящейся на кончике рукава и совершающей полный оборот за 600 лет.

Ученые также установили, что два спиральных рукава у протопланетного диска могут быть образованы не гигантскими планетами, а карликовыми звездами-компаньонами. Во всяком случае, такая модель лучше объясняет данные наблюдений за молодой звездой HD 100453.

Спиральные рукава протопланетного облака, окружающего звезду MWC 758

"Тихие гавани"

В теории образования планет из газопылевых дисков есть одно слабое звено. Как только зародыш планеты (планетезималь) достигает определенной массы, динамики диска становится недостаточно для его удержания на орбите, и он должен упасть на материнскую звезду.

Эту проблему пытаются решить с помощью данных ALMA. Согласно их интерпретации, внутри диска существуют своеобразные "тихие гавани" — орбитальные уровни, на которых планетезимали могут в относительно спокойной обстановке быстро набирать массу, причем на значительно более ранней стадии эволюции планетной системы, чем предполагали раньше. Расчеты этих уровней выполнили на примере облака звезды AS209.

Возможно, в одной из таких "тихих гаваней" в свое время сформировалась и наша Земля.

Протопланетный диск вокруг AS 209. Изображение, полученное с помощью комплекса радиотелескопов ALMA, и схема центральной части диска с выделением колец и разрывов между ними

Двойные системы

Две системы, изученные ALMA в проекте DSHARP, — AS 205 и HT Lup — представляют собой двойные звезды, у каждой из которых есть собственный протопланетный диск.

Бинарные и множественные системы с двумя и более звездами весьма распространены во Вселенной. Ученые отмечают, что у каждой звезды в такой системе могут сформироваться свои планеты или возникнуть общие, вращающиеся вокруг всей системы сразу. У общих более стабильные орбиты, так как они менее подвержены внутренним гравитационным взаимодействиям.

Двойная система AS 205, каждая звезда которой имеет свой собственный протопланетный диск. Снимок комплекса радиотелескопов ALMA

Жизнь в протопланетном облаке

В 2016 году астрономы с помощью ALMA обнаружили в формирующемся диске звезды TW Гидры твердофазный метанол, или метиловый спирт. До этого в протопланетном диске органические молекулы не выявляли.

Молекулы метанола образуются на ледяной поверхности мелких зерен пыли, а затем испаряются в виде газа. Метанол служит строительным материалом для более сложных химических веществ, таких как аминокислоты и сахара, и играет важную роль в образовании необходимой для жизни органики.

Кроме того, те же ученые увидели молекулы синильной кислоты (HCN) и альдегид-ионы (НСО+) в газопылевом диске вокруг двойной звезды IRS 43 в созвездии Змееносца. А в сентябре 2017-го и феврале 2018-го корейские астрономы нашли в протопланетном облаке новорожденной звезды V883 в созвездии Ориона (1300 световых лет от Солнца) целый спектр сложных органических соединений — спиртов, альдегидов, ацетона, сахаров.

Компьютерное моделирование и раньше показывало, что органические молекулы, "кирпичики жизни", могут образовываться при нагревании и ультрафиолетовом облучении ледяных зерен протопланетного диска еще до формирования планет. Лабораторные эксперименты подтвердили: органический синтез атомов углерода и азота начинается уже при температуре 30 градусов Кельвина, что соответствует внешней зоне диска.

Источник:  https://ria.ru/