Международная группа учёных под руководством астрономов из Университета Висконсин-Мэдисон провела наиболее точное измерение газов, вращающихся вокруг молодых звёзд, и того, как их масса меняется с течением времени. Это открытие добавляет важный фрагмент в пазл, который может показать, какие типы планет формируются — скалистые, подобные Земле, газовые гиганты вроде Юпитера или ледяные шары, как Нептун, — по мере взросления звёздных систем.
Использованные методы и инструменты
Исследователи использовали массив из 66 мощных радиотелескопов — Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую решётку, расположенную на высоте 16 000 футов в чилийских Андах, чтобы изучить диски газа, вращающиеся под действием гравитации каждой из 30 молодых звёзд.
«Чтобы знать, какие типы планет и сколько планет может быть в системе, основное требование — понимание массы в диске вокруг молодой звезды. Мы называем эти диски протопланетными», — говорит Ке «Коко» Чжан, профессор астрономии в Университете Висконсин-Мэдисон и руководитель исследования.
Возраст звёзд и состав дисков
Звёзды, на которых сосредоточились исследователи, были в возрасте от менее 1 миллиона лет до более чем 5 миллионов лет. Это может показаться древним, но для звезды это всё ещё «младенческий» возраст.
«Нашей Солнечной системе около 4,5 миллиардов лет», — говорит Чжан. «Таким образом, эти системы, возраст которых составляет всего несколько миллионов лет, на самом деле ещё младенцы».
Младенческие звёзды, вероятно, начинают с протопланетными дисками, которые по массе примерно на 1% состоят из пыли и на 99% из газа — в основном водорода и гелия.
Анализ электромагнитного излучения
Леон Трапман, постдокторант из лаборатории Чжана в то время, руководил анализом электромагнитного излучения, испускаемого дисками, сравнивая сигнатуры различных молекул газа, чтобы получить беспрецедентное измерение их масс. Предыдущие исследования основывались на фиксированном соотношении моноксида углерода — молекулы, которая не особенно распространена в дисках, но её легко «увидеть» с помощью радиотелескопа — и гораздо более распространённого водорода.
Новое исследование использовало более точный метод. Отслеживая интенсивность сигнатуры для молекул иона N₂H⁺, количество которых увеличивается по мере истончения моноксида углерода, Трапман и его коллеги смогли учесть, как меняется содержание газа в дисках в течение первых нескольких миллионов лет.
«Теперь мы видим, что масса газа очень быстро уменьшается в первые миллион лет существования протопланетных дисков, а затем масса газа уменьшается медленно, в то время как масса пыли, вероятно, уменьшается постепенно с течением времени», — говорит Чжан. «Так что, если вы хотите сформировать газовых гигантов, подобных Юпитеру, вам нужно начать работу, пока ещё много газа, а это всего несколько миллионов лет».
Процесс формирования скалистых планет, подобных нашей, может протекать в более неторопливом темпе в течение сотен миллионов лет благодаря устойчивости пыли, из которой они состоят.
Новые выводы
Новые выводы, которые вскоре будут опубликованы в специальном выпуске «The Astrophysical Journal» вместе с серией других результатов проекта, также предполагают, что газы, потерянные из дисков молодых звёзд, могут быть «унесены» своего рода дисковым ветром. Когда молекулы газа пересекают магнитные силовые линии в космосе, они могут быть ускорены со своей орбиты и отделены от дисков.
Сейчас Чжан и его коллеги займутся измерением химического состава самой внутренней области протопланетных дисков, где, как считается, формируются скалистые планеты, подобные Земле. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) лучше, чем Атакамский массив, отслеживает горячие материалы во внутренней области диска, и исследователи недавно получили данные JWST по своим 30 целевым дискам.
«С этими данными мы можем изучить материалы, расположенные близко к диску, где, как мы думаем, формируются скалистые планеты», — говорит Чжан. «Если мы сможем изучить химический состав таких материалов, как вода и органика, мы сможем понять, как они меняются в процессе эволюции дисков».
Предоставлено Университетом Висконсин-Мэдисон.