Определение периода формирования планетных систем, таких как наша Солнечная система, может стать началом пути к разгадке происхождения жизни. Ключом к этому являются уникальные подструктуры, обнаруженные в протопланетных дисках — местах формирования планет.
Протопланетный диск состоит из низкотемпературного молекулярного газа и пыли, окружающих протозвезду. Если в диске существует планета, её гравитация будет собирать или выбрасывать материалы внутри диска, формируя характерные подструктуры, такие как кольца или спирали. Другими словами, различные подструктуры диска можно интерпретировать как «сообщения» от формирующихся планет. Для детального изучения этих подструктур необходимы радионаблюдения с высоким разрешением с помощью ALMA.
Многочисленные наблюдения ALMA за протопланетными дисками (или околозвёздными дисками) были проведены до сих пор. В частности, две крупные программы ALMA, DSHARP и eDisk, выявили детальное распределение пыли в протопланетных дисках с помощью наблюдений с высоким разрешением.
Проект DSHARP обнаружил, что отличительные структуры распространены в околозвёздных дисках вокруг 20 молодых звёзд, каждая из которых существует более 1 миллиона лет с начала звездообразования (см. примечание ниже).
С другой стороны, в проекте eDisk, в котором исследовались диски вокруг 19 протозвёзд в фазе аккреции (стадия, когда активна аккреция массы на звезду и диск), было обнаружено меньше отличительных структур. Эта фаза наступает примерно через 10 000–100 000 лет после рождения звезды. Это говорит о том, что диски имеют разнообразные характеристики в зависимости от возраста звезды.
Здесь возникает вопрос: когда в дисках появляются подструктуры — признаки формирования планет? Чтобы найти ответ, необходимо наблюдать за дисками широкого диапазона промежуточных возрастов, которые ещё предстоит изучить. Однако ограничения на количество дисков, наблюдаемых с высоким разрешением из-за расстояния и времени наблюдений, затрудняют проведение статистически значимого исследования с достаточно большим размером выборки.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа обратилась к визуализации с высоким разрешением с помощью разреженного моделирования. В радиоастрономии изображения обычно восстанавливаются на основе определённого предположения, чтобы компенсировать недостающие данные наблюдений. Используемый метод визуализации реконструирует на основе более точного предположения, чем традиционный подход, создавая изображения с более высоким разрешением, даже если используются те же данные наблюдений. Результаты опубликованы в Publications of the Astronomical Society of Japan.
В этом исследовании использовалась PRIISM (модуль Python для радиоинтерферометрической визуализации с разреженным моделированием) — общедоступное программное обеспечение, разработанное японской исследовательской группой. Исследовательская группа использовала эту новую технику визуализации на архивных данных ALMA, нацелившись на 78 дисков в области звездообразования Оphiuchus, расположенной в 460 световых годах от Солнечной системы.
В результате более чем половина изображений, полученных в этом исследовании, достигла разрешения, более чем в три раза превышающего разрешение традиционного метода, что сопоставимо с проектами DSHARP и eDisk (рис. 1).
Более того, общее количество образцов в этом исследовании почти в четыре раза больше, чем в предыдущих двух проектах, что значительно повышает надёжность нашего статистического анализа. Среди проанализированных 78 дисков у 27 были обнаружены кольцевые или спиральные структуры, 15 из которых были идентифицированы впервые в этом исследовании.
Команда объединила выборку Оphiuchus с выборкой проекта eDisk для проведения статистического анализа. В результате они обнаружили, что характерные подструктуры диска появляются в дисках с радиусами более 30 астрономических единиц (а. е.) на ранней стадии звездообразования, всего через несколько сотен тысяч лет после рождения звезды (рис. 2).
Это говорит о том, что планеты начинают формироваться на гораздо более ранней стадии, чем считалось ранее, когда в диске ещё много газа и пыли (рис. 3). Другими словами, планеты растут вместе со своими очень молодыми звёздами-хозяевами.
Аюму Шоши говорит: «Эти результаты, устраняющие разрыв между проектами eDisk и DSHARP, стали возможны благодаря инновационной визуализации, которая позволяет достичь как высокого разрешения, так и большого количества образцов. Хотя эти результаты относятся только к дискам в созвездии Оphiuchus, будущие исследования других областей звездообразования покажут, является ли эта тенденция универсальной».
Примечание: эволюционная стадия протозвезды оценивается с помощью болометрической температуры вокруг звезды. Болометрическая температура — это кажущаяся температура, полученная из общей яркости объекта на всех длинах волн. Более высокая болометрическая температура указывает на более продвинутую стадию эволюции, а температура 650 К предполагает, что с момента рождения звезды прошло примерно 1 миллион лет.
Предоставлено
Национальной астрономической обсерваторией Японии