Планети утворюються в дисках із газу та пилу навколо молодих зірок, але запас газу в них тимчасовий. Нові спостереження космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) NASA дають астрономам чіткішу картину того, як цей газ виходить і як змінюються основні механізми виходу в міру розвитку планетних систем.
Дослідження під керівництвом Намана Баджаджа з Університету Арізони та співавтора вченого Інституту SETI Уми Горті вивчило 72 молоді сонцеподібні зірки та їхні протопланетні диски. Це одне з найбільших досліджень формування планет, проведених за допомогою JWST, і свідчить про те, що на різних етапах раннього розвитку системи домінували різні типи вітрів.
Висновки опубліковані в Астрономічний журнал.
Формування планети має свій термін
«Що захоплююче в цьому дослідженні, так це те, що тепер ми можемо побачити у великій вибірці молодих систем, як механізми, які видаляють газ із планетарних дисків, змінюються з часом. Фрагментація диска встановлює фундаментальний годинник для формування планет: коли газ закінчується, шанс утворити багаті газом планети фактично закінчується», — сказав Горті.
Зараз нашій сонячній системі приблизно 4,5 мільярда років, і вона складається здебільшого з порожнього простору. Проте протягом перших кількох мільйонів років молоде Сонце було оточене щільним протопланетним диском, який містив приблизно в 100 разів більше газу, ніж пилу. Майже весь цей газ згодом зник.
Важливо зрозуміти, коли і як втрачається цей матеріал, оскільки газ необхідний для формування планет-гігантів, таких як Юпітер і Сатурн. Якщо диск втрачає свій газ занадто швидко, планети, що розвиваються, можуть не мати достатньо часу, щоб накопичити масивну атмосферу, необхідну для газових гігантів.
JWST відстежує вихід газу
Баджай та його колеги досліджували цей процес, використовуючи архівні спостереження інструменту середнього інфрачервоного діапазону JWST (MIRI). 72 системи включають різні етапи розвитку планети. Взяті разом, вони створюють щось на зразок послідовності знімків, яка дозволяє дослідникам побачити, як змінюється розподіл газу зі старінням систем.
У 2020 році професор LPL Іларія Паскуччі, другий автор статті та консультант Bajaj, очолила відповідне дослідження еволюції літаків і вітру. До JWST дослідники не могли безпосередньо спостерігати за молекулярним воднем, але команда передбачила, що молекулярні вітри повинні існувати та бути достатньо щільними, щоб блокувати рентгенівські фотони на ранніх стадіях. Прямо відстежуючи молекулярний водень у нових спостереженнях, команда Баджаджа підтвердила це передбачення зображеннями JWST.
Дослідники зосередилися на двох показниках матеріалу, що втікає: молекулярному водні, найпоширенішій молекулі в протопланетних дисках, і іонізованому неоні. Чутливість і роздільна здатність JWST дозволили їм відрізнити широкі вітри, що містять молекулярний водень, від струменів і вітрів, що простежуються неоном.
У наймолодших системах, де матеріал все ще падає до центральної зірки, дослідники виявили потужні струмені вздовж величезних вітрів, що містять молекулярний і атомний газ. Ці течії збігаються з вітрами, які рухають магнітні поля через диск. Газ може слідувати за лініями магнітного поля назовні, забираючи з диска як матеріал, так і кутовий момент.
Виходить випромінювання зірок
Коли планетні системи розвиваються і потік матеріалу до зірки зменшується, струмені слабшають, а газ, що витікає, стає все більш розпиленим. На цій стадії високоенергетичне випромінювання від молодої зірки може проникнути крізь тонший матеріал і нагріти газ у диску, поки він не вирветься. Цей механізм відомий як фотовипаровування.
Горті провів десятиліття, досліджуючи еволюцію та розпад протопланетних дисків, включаючи роль ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання молодих зірок у стимулюванні вітрів фотовипаровування. Останні спостереження JWST забезпечують спостережний зв’язок із цією теоретичною роботою в десятках систем. Вони показують, що фотовипаровування стає більш важливим, оскільки диски старіють, а магнітні струмені та вітри зникають.
Отримані дані свідчать про те, що єдиного механізму очищення диска планети, що формується, не існує. Натомість молоді системи починаються з струменів і сильних магнітних вітрів, а потім переходять до наступної стадії, на якій розвиваються ядерні вітри, включно з тими, що генеруються фотовипаровуванням.
Цей перехід має серйозні наслідки для планет, що розвиваються.
«Тож формування планети — це гонка з часом», — сказав Баджай. «Газові гіганти, такі як Юпітер, повинні накопичити свою масивну атмосферу, поки диск достатньо великий, щоб забезпечити їх, перш ніж вітри та струмені зможуть перенести цю сировину в космос».
Дослідники виявили довгоживуче випромінювання молекулярного водню та іонізованого неону в 66 із 72 дисків. Конічні молекулярні вітри водню були виявлені в 46 системах, тоді як швидкорухомі струмені неону були виявлені в 40 системах. Будь-яка система з неоновими струменями також демонструвала ознаки вітру, який можна було простежити до молекулярного водню або кисню.
Більш широкий погляд на те, як еволюціонують планетарні системи
Дослідження розширює попередні спостереження тієї ж дослідницької групи. У 2024 році Баджай, Горті та їхні колеги використовували JWST для зображення екзопланетного газу, що оточує молоду зірку T Cha.
Ця попередня робота показала, що JWST може безпосередньо досліджувати розподіл дисків в окремих планетарних системах. Нове дослідження розширює підхід до десятків молодих зірок, показуючи, як баланс між струменями, молекулярними вітрами та атомними вітрами змінюється зі старінням планетних систем.
Тепер дослідники хочуть точно визначити, скільки газу ці вітри викидають з плином часу, і визначити, звідки походить матеріал, що втікає в диску. Ці вимірювання можуть виявити не тільки те, як швидко закривається вікно для формування планет, але також і те, які регіони диска здатні виробляти різні типи планет до того, як закінчиться запас газу.
