Исследование более 800 планетообразующих дисков выявило удивительную эволюцию планет

Сравнима ли наша Солнечная система с другими солнечными системами? Как выглядят другие системы? Из исследований экзопланет мы знаем, что во многих других системах есть горячие Юпитеры - массивные газовые гиганты, вращающиеся очень близко к своим звездам. Нормально ли это, и является ли наша Солнечная система исключением?

Один из путей решения этих вопросов - изучение планетообразующих дисков вокруг молодых звезд, чтобы увидеть, как они эволюционируют.

Но изучение большой выборки таких систем - единственный способ получить ответ.

Именно этим и занялась группа астрономов, изучив 873 протопланетных диска.

Масса - важнейшая составляющая в новом исследовании планетообразующих дисков. Масса диска определяет, сколько вещества доступно для формирования планет.

Измерив массу дисков вокруг молодых звезд, астрономы смогут определить общую массу планет, которые могут там сформироваться, и еще на один шаг приблизиться к пониманию архитектуры Солнечной системы.

Новое исследование - "Обзор дисков Ориона с помощью ALMA (SODA): I. Демографические характеристики 873 протопланетных дисков на уровне облаков". Оно опубликовано в журнале "Астрономия и астрофизика", ведущий автор - Серк ван Тервисга, ученый из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия.

"До сих пор мы не знали наверняка, какие свойства доминируют в эволюции планетообразующих дисков вокруг молодых звезд", - сказал ван Тервисга в пресс-релизе.

"Наши новые результаты показывают, что в среде без соответствующего внешнего влияния наблюдаемая масса диска, доступная для формирования новых планет, зависит только от возраста системы звезда-диск".

Масса пыли не только говорит астрономам о массе планет, которые могут сформироваться из диска. В зависимости от возраста диска, она также может подсказать астрономам, какие планеты уже сформировались.

Но на массу диска влияют и другие факторы, которые варьируются от диска к диску. Такие вещи, как звездный ветер и облучение от близлежащих звезд за пределами диска, также могут влиять на массу.

Как же исследователи смогли выделить эти эффекты в такой большой выборке?

Они сосредоточили свое внимание на хорошо известной области протопланетных дисков под названием облако Ориона А, которое является частью комплекса молекулярных облаков Ориона (OMCC).

OMCC находится на расстоянии около 1350 световых лет от нас и является домом для хорошо изученной туманности Ориона, которую могут увидеть даже астрономы со двора.

Выше: На этом снимке изображено гигантское звездообразующее облако Ориона А, наблюдаемое прибором SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) на борту космического телескопа "Гершель". На снимке прослеживается крупномасштабное распределение холодной пыли. Орион А находится на расстоянии около 1350 световых лет от нас и состоит из отдельных звездообразующих областей, как указано на этикетках. Указаны места расположения планетообразующих дисков (+), наблюдаемых с помощью ALMA, а диски с массой пыли выше эквивалента 100 масс Земли показаны синими точками.

Альваро Хакар является соавтором исследования и ученым Венского университета, Австрия. "Орион А предоставил нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд", - сказал Хакар. "Было очень важно иметь возможность искать небольшие вариации массы диска в зависимости от возраста и даже от локальной среды внутри облака".

Это хорошая выборка, потому что все диски принадлежат одному и тому же облаку. Это означает, что их химический состав однороден, и все они имеют одну и ту же историю.

В близлежащем туманном скоплении Ориона (ONC) находятся массивные звезды, которые могут повлиять на другие диски, поэтому команда отклонила все диски в Орионе А, расположенные ближе 13 световых лет к ONC.

Измерить массу всех этих дисков было непросто. Для наблюдения за пылью команда использовала Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA). ALMA может быть настроен на разные длины волн, поэтому команда наблюдала молодые диски на длине волны 1,2 мм.

На этой длине волны пыль яркая, а звезда тусклая, что помогает устранить влияние звезды в каждом диске. Поскольку наблюдение на длине волны 1,2 мм делает наблюдения нечувствительными к объектам размером более нескольких миллиметров - например, к уже сформировавшимся планетам - команда измерила только пыль, доступную для формирования новых планет.

Измерение пыли без помех от звезд было одним из препятствий, но исследователи столкнулись с другим: данные.

Детальное исследование почти 900 протопланетных дисков создает большое количество данных, и все эти данные должны быть обработаны, прежде чем они приобретут какой-либо коллективный смысл. Если бы команда полагалась на существующие методы, то обработка всех этих данных заняла бы около шести месяцев.

Вместо этого они разработали свой собственный метод обработки данных с помощью параллельной обработки. То, на что ушли бы месяцы, заняло менее одного дня. "Наш новый подход увеличил скорость обработки данных в 900 раз", - сказал соавтор Раймонд Оонк.

После обработки данных исследователи обнаружили, что в большинстве дисков содержится всего 2,2 земных массы пыли. Только 20 из почти 900 дисков содержали достаточно пыли для 100 и более земных масс.

"Для того чтобы найти вариации, мы разрезали облако Ориона А и проанализировали эти регионы отдельно. Благодаря сотням дисков, подвыборки были достаточно большими, чтобы получить статистически значимые результаты", - пояснил ван Тервисга.

Исследователи обнаружили некоторую изменчивость массы дисковой пыли в разных регионах Ориона А, но эти изменения были минимальными. По мнению авторов, эти колебания можно объяснить эффектом возраста. С возрастом масса диска уменьшается, а скопления дисков одного возраста имеют одинаковое распределение массы.

"Мы должны подчеркнуть, что различия между этими скоплениями, расположенными далеко друг от друга на небе, малы и не очень значительны относительно друг друга и поля, даже в самых экстремальных случаях", - пишут авторы в своей статье.

Выше: На этом рисунке показаны шесть исследованных скоплений YSO с низкой массой и низкой плотностью. Несмотря на их широкое распределение в Орионе А, диски показывают одинаковую корреляцию между массой и возрастом. 

Ожидается, что по мере старения дисков масса пыли в них уменьшается. Большая часть этого уменьшения приходится на образование планет: то, что когда-то было пылью, становится планетами.

Но другие эффекты также способствуют потере пыли. Пыль может мигрировать к центру диска, а облучение от звезды-хозяина может испарять пыль.

Но данное исследование усиливает корреляцию между возрастом и потерей пыли.

Можно ли применить результаты этого исследования к другим популяциям молодых звездных дисков? Авторы сравнили свои результаты по Ориону А с несколькими соседними звездообразующими регионами с молодыми дисками.

Большинство из них, но не все, соответствуют возрастной потере массы, наблюдаемой в Орионе А.

"В целом, мы считаем, что наше исследование доказывает, что, по крайней мере, в ближайшие 1000 световых лет или около того, все популяции планетообразующих дисков демонстрируют одинаковое распределение массы в определенном возрасте. И они, похоже, эволюционируют более или менее одинаково", - сказал ван Тервисга.

У исследователей есть еще много работы, которую они хотели бы провести. Они собираются изучить, какое влияние могут оказывать более мелкие звезды в масштабе нескольких световых лет.

В данном исследовании они избежали влияния, которое массивные звезды в ОНК могут оказывать на соседние диски. Но меньшие фоновые звезды все еще могут влиять на диски, и они могут объяснить некоторые небольшие вариации в корреляции возраста и массы.

Возраст звезды и ее диска, химические свойства и динамика родительского облака - все это в сочетании с массой дает более четкую картину Солнечной системы, которая возникает из диска. Астрономы не могут взять такие данные и предсказать, какой тип планет может сформироваться в той или иной Солнечной системе.

Но примечательно, что корреляция между возрастом диска и его массой сильна, даже в таких крупных структурах, как Орион А.

"Удивительно однородные свойства образцов дисков одинакового возраста - это удивительная находка", - заключают авторы, и их результаты подтверждают то, на что намекали предыдущие исследования и обзоры.

"Теперь, однако, мы можем показать, что это относится к большему числу YSO и кластеров YSO, формирующихся в хорошо разделенных частях одного и того же гигантского облака. Впервые беспрецедентный размер выборки дисков SODA (Survey of Orion Disks with Alma) позволяет нам увеличить масштаб влияния возрастных градиентов и кластеризации в одном звездообразующем регионе".