Протопланетные диски теряют газ быстрее пыли: почему это оказалось неожиданным

Радиотелескоп ALMA расположен на высоте 5000 метров в чилийских АндахИсточник: Unsplash

Международная команда астрономов, в которую входят исследователи из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны, обнародовала новаторские данные о газовых и пылевых дисках, окружающих молодые звезды, расположенные в относительной близости от нас. Сведения получены с помощью телескопа Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, или ALMA в Чили.

Результаты, опубликованные в 12 статьях в специализированном выпуске Astrophysical Journal и на сервере препринтов arXiv, являются частью масштабной программы под названием ALMA Survey of Gas Evolution of Protoplanetary Disks, или сокращенно AGE-PRO. Слово age по-английски значит «возраст» — в сокращении подчеркивается исследование дисков в историческом контексте (прим. ред.).

В рамках AGE-PRO астрономы наблюдали за 30 планетообразующими дисками вокруг солнцеподобных звезд. Исследование показало, что газовые и пылевые компоненты в этих дисках эволюционируют с разной скоростью. Предыдущие наблюдения ALMA позволили изучить эволюцию пыли в дисках. Кампания AGE-PRO впервые отслеживает эволюцию газа, обеспечивая измерения масс, размеров и скоростей вращения газовых дисков на протяжении всего процесса планетообразования.

Авторская концепция диска, подобного тридцати дискам, взятых для исследования ALMA AGE-PRO. Продолжительность жизни газа внутри диска определяет временные рамки роста планеты. Фото: NSF/AUI/NSF NRAO/С.ДагнеллоИсточник: https://phys.org/

Протопланетный диск вращается вокруг звезды-хозяйки в течение нескольких миллионов лет. По мере того, как его газ и пыль выделяются и рассеиваются, определяются временные рамки для формирования планет-гигантов. Первоначальная масса и размер диска, а также его угловая скорость оказывают решающее влияние на тип формирующейся планеты — газовые гиганты, ледяные гиганты или мини-Нептуны — и пути миграции планет.

Время жизни газа внутри диска определяет временные рамки для превращения пылевых частиц в объекты размером хотя бы с астероид, которые обладают достаточной гравитации, чтобы активнее собирать планетарную массу.

Одним из самых неожиданных результатов исследования стало то, что по мере «старения» дисков их газ и пыль расходуются с разной скоростью, а соотношение массы газа и пыли меняется по мере эволюции дисков. В отличие от пыли, которая имеет тенденцию оставаться внутри диска в течение более длительного периода времени, газ сначала рассеивается относительно быстро, а затем, по мере старения диска, все медленнее. Другими словами, диски выбрасывают больше газа, когда они молоды.

Самым удивительным открытием по мнению ученых является то, что, хотя большинство дисков рассеиваются через несколько миллионов лет, те, которые выживают, содержат больше газа, чем ожидалось. Это позволяет предположить, что газовым планетам, таких как Юпитер, дается меньше времени для формирования, чем каменистым планетам земного типа.

Программа AGE-PRO провела наблюдение за 30 протопланетными дисками вокруг солнцеподобных звезд, чтобы измерить, как меняется масса газового диска с возрастом. Верхний ряд иллюстрирует ранее известную тенденцию: доля молодых звезд с дисками со временем уменИсточник: https://phys.org/

Уникальная чувствительность ALMA позволила исследователям использовать слабые, так называемые молекулярные линии для изучения холодного газа в этих дисках — характерные длины волн светового спектра, которые, по сути, действуют как «отпечатки пальцев», идентифицирующие различные виды молекул газа. В ходе первого в своем роде крупномасштабного астрохимического исследования программа AGE-PRO изучала дисков в трех областях звездообразования возрастом от 1 до 6 миллионов лет. Диски находятся в созвездиях:  

С помощью ALMA команда AGE-PRO получила данные о ключевых характеристиках газовых и пылевых масс в дисках, охватывающих важнейшие этапы их эволюции, от самого раннего момента образования до завершения рассеяния. Эти данные ALMA послужат обширной библиотекой наблюдений спектральных линий для большой выборки дисков, находящихся на разных этапах эволюции.

Благодаря новым продолжительным наблюдениям ученые получили возможность оценить и проследить массы газа не только для самых ярких и лучше изученных дисков в этом регионе, но и для более мелких и тусклых. Обнаружение так называемых газовых индикаторов во многих дисках, где их раньше не было видно, позволило сформулировать закономерности, охватывающие широкий диапазон масс дисков в области звездообразования в созвездии Волка.

Яркие объекты звездообразования в созвездии ВолкаИсточник: https://ru.wikipedia.org/

Традиционным химическим индикатором в протопланетных дисках служит монооксид углерода (CO), но для тщательного измерения массы газа в диске необходимы дополнительные молекулярные индикаторы. Программа AGE-PRO использовала ион N2H+, или диазенилий, в качестве дополнительного газового индикатора для значительного повышения точности измерений. Датчики ALMA также были настроены на получение спектральных сигналов от других молекул, включая формальдегид (CH2O), метилцианид (CH3CN) и несколько видов молекул, содержащих дейтерий, тяжелый изотоп водорода.

Еще одно неожиданное открытие заключалось в том, что соотношение масс газа и пыли на дисках разной массы оказалось практически одинаковым. Ранее в литературе высказывалось предположение, что чем меньше протопланетный диск, тем быстрее он выделяет газ. Кстати, наличие диска вовсе не гарантирует рождение планет. «Беременность» звезды может закончиться ничем.

Больше информации о формировании протопланетных дисков вы найдете в материале Hi-Tech Mail.