Международное сотрудничество ученых с использованием Большого миллиметрового/субмиллиметрового массива Атакама (ALMA) завершило наиболее обширное картирование химического состава протопланетных дисков вокруг пяти близлежащих молодых звезд в высоком разрешении, создав изображения, отражающие молекулярный состав, связанный с рождением планет, и дорожную карту для будущих исследований состава планетообразующих и кометообразующих регионов. Новое исследование дает ключи к пониманию роли молекул в формировании планетных систем и того, обладают ли эти молодые планетные системы в процессе создания тем, что требуется для жизни. Результаты программы «КАРТЫ или молекулы с ALMA в планетообразующих масштабах», появятся в следующем специальном выпуске серии дополнений к Астрофизическому журналу из 20 статей.
Планеты формируются в дисках пыли и газа, называемых протопланетными дисками, окружающими молодые звезды. Химический состав этих дисков может оказывать влияние на сами планеты, в том числе на то, как и где происходит образование планет, химический состав планет и есть ли у этих планет органический состав, необходимый для поддержания жизни. КАРТЫ специально рассматривали протопланетные диски, окружающие молодые звезды IM Lup, GM Aur, КАК 209, HD 163296 и MWC 480, где уже были обнаружены свидетельства продолжающегося формирования планет. Проект привел к множеству захватывающих открытий, включая связь между пылью и химическими субструктурами и наличием больших резервуаров органических молекул во внутренних областях диска звезд.
«С помощью ALMA мы смогли увидеть, как молекулы распределяются там, где в настоящее время собираются экзопланеты», - сказала Карин Эберг, астроном из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) и главный исследователь КАРТЫ. «Одна из действительно захватывающих вещей, которую мы видели, заключается в том, что планетообразующие диски вокруг этих пяти молодых звезд являются фабриками особого класса органических молекул, так называемых нитрилов, которые причастны к происхождению жизни здесь, на Земле».
Простые органические молекулы, такие как HCN, C2H и H2CO, наблюдались на протяжении всего проекта с беспрецедентной детализацией благодаря чувствительности и разрешающей способности приемников ALMA Band 3 и Band 6. «В частности, мы смогли наблюдать определенное количество небольших органических молекул во внутренних областях дисков, где, вероятно, собираются скалистые планеты», - сказала Вивиана В. Гусман, астроном из Института астрофизики Католического университета в Чили, ведущий автор КАРТЫ VI и соавтор КАРТЫ. «Мы обнаруживаем, что наша собственная солнечная система не уникальна, и что в других планетных системах вокруг других звезд достаточно основных ингредиентов, чтобы сформировать строительные блоки жизни».
Ученые также наблюдали более сложные органические молекулы, такие как HC3N, CH3CN и c-C3H2, особенно те, которые содержат углерод, и поэтому, скорее всего, будут служить сырьем для более крупных пребиотических молекул. Хотя эти молекулы и раньше обнаруживались в протопланетных дисках, КАРТЫ является первым систематическим исследованием нескольких протопланетных дисков с очень высоким пространственным разрешением и чувствительностью, а также первым исследованием, в котором молекулы были обнаружены в небольших масштабах и в таких значительных количествах.
«Мы обнаружили больше крупных органических молекул, чем ожидалось, в 10-100 раз больше, расположенных во внутренних дисках в масштабах Солнечной системы, и их химический состав похож на химический состав комет солнечной системы», - сказал Джон Или, астроном из Университета Лидса и ведущий автор КАРТЫ IX. «Присутствие этих крупных органических молекул имеет важное значение, поскольку они являются связующим звеном между более простыми молекулами на основе углерода, такими как монооксид углерода, который в изобилии встречается в космосе, и более сложными молекулами, необходимыми для создания и поддержания жизни».
Однако молекулы распределены неравномерно по планетообразующим дискам, о чем свидетельствуют карты III и IV, на которых показано, что, хотя общий состав дисков, по-видимому, похож на солнечную систему, увеличение с высоким разрешением показывает некоторое разнообразие в составе, которое может привести к различиям между планетами. "Молекулярный газ в протопланетных дисках часто встречается в наборах отдельных колец и промежутков", - сказал Чарльз Лоу, астроном CfA и ведущий автор КАРТ III и IV. "Но один и тот же диск, наблюдаемый в разных линиях молекулярной эмиссии, часто выглядит совершенно по-разному, причем каждый диск имеет несколько молекулярных граней. Это также означает, что планеты на разных дисках или даже на одном и том же диске в разных местах могут образовываться в совершенно разных химических средах". Это означает, что некоторые планеты формируются с необходимыми инструментами для создания и поддержания жизни, в то время как другие близлежащие планеты могут этого не делать.
Одна из тех радикально отличающихся сред возникает в пространстве, окружающем планеты, подобные Юпитеру, где ученые обнаружили, что газ беден углеродом, кислородом и более тяжелыми элементами, в то время как богат углеводородами, такими как метан. "Химия, наблюдаемая в протопланетных дисках, должна передаваться по наследству при формировании планет", - сказал Артур Босман, астроном из Мичиганского университета и ведущий автор КАРТ VII. "Наши результаты показывают, что многие газовые гиганты могут образовываться в атмосфере с крайне низким содержанием кислорода (богатой углеродом), что бросает вызов текущим ожиданиям составов планет".
Взятые все вместе, КАРТЫ обеспечивают именно это: карта, которой должны следовать ученые, соединяющая точки между газом и пылью в протопланетном диске и планетами, которые в конечном итоге образуются из них, чтобы создать планетарную систему. "Состав планеты-это запись местоположения на диске, в котором она сформировалась", - сказал Босман. "Соединение композиции планеты и диска позволяет нам заглянуть в историю планеты и помогает нам понять силы, которые ее сформировали".
Джо Пеше, астроном и руководитель программы ALMA в Национальном научном фонде (NSF), говорит: "Существует ли жизнь за пределами Земли-один из фундаментальных вопросов человечества. Теперь мы знаем, что планеты встречаются повсюду, и следующий шаг-определить, есть ли на них условия, необходимые для жизни в том виде, в каком мы ее знаем (и насколько распространенной может быть такая ситуация). Программа "КАРТЫ" поможет нам лучше ответить на эти вопросы. Поиски АЛЬМОЙ предшественников жизни вдали от Земли дополняют исследования, проводимые в лабораториях и в таких местах, как гидротермальные источники на Земле".
Эберг говорит: "КАРТЫ - это кульминация десятилетий работы ученых над химией планетообразующих дисков, использующих ALMA и ее предшественников. Хотя в то время MAPS обследовала всего пять дисков, до сих пор мы понятия не имели, насколько химически сложными и визуально ошеломляющими были эти диски. КАРТЫ впервые ответили на вопросы, которые мы и представить себе не могли, задавая их десятилетия назад, а также представили нам еще много вопросов, на которые нужно ответить".
