15.04.2023. - Протопланетные диски, где формируются твердые планеты

Протопланетные диски, где формируются твердые планеты

Исследователи, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), впервые рассмотрели свои данные, которые исследуют химический состав областей дисков вокруг молодых звезд, где формируются твердые планеты. Уже на этом этапе данные показывают, что диски химически разнообразны и богаты молекулами, такими как вода, углекислый газ и органические углеводородные соединения, такие как бензол, а также крошечными зернами углерода и силикатов. Текущая программа наблюдений JWST под руководством MPIA, объединяющая несколько европейских исследовательских институтов, обещает дать революционный взгляд на условия, предшествующие рождению планет, и в то же время определить их состав.

Новые наблюдения образца дисков формирования планет вокруг молодых звезд, полученные с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), дают первый взгляд на то, как этот мощный инструмент улучшит наше понимание формирования земных планет. . Астрономы из 11 европейских стран собрались в рамках проекта MINDS (MIRI mid-Infrared Disk Survey), чтобы исследовать условия во внутренних областях таких дисков, где ожидается формирование каменистых планет из газа и пыли, которые они содержат. Они делают следующий шаг, чтобы расшифровать условия формирования дисков планет — необходимое условие для идентификации процессов, ведущих к твердым телам, таким как планеты и кометы, которые составляют планетные системы.

Первые результаты, представленные в двух статьях, демонстрируют разнообразие колыбелей каменистых планет. Диски варьируются от сред, богатых углеродсодержащими соединениями, включая такие сложные органические молекулы, как бензол, до агломератов, содержащих углекислый газ и следы воды. Подобно отпечаткам пальцев, эти химические вещества создают уникальные идентифицируемые маркеры в спектрах, которые астрономы получили в ходе своих наблюдений. Спектр — это радужное отображение света или, как в данном случае, например, инфракрасного излучения, расщепляющего его на цвета, из которых он состоит. «Мы впечатлены качеством данных, которые производит MIRI, — говорит Томас Хеннинг, директор Астрономического института Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия. Он является главным исследователем (PI) программы JWST Guaranteed Time Observation (GTO) MINDS. «Это множество спектральных линий не только раскрывает химический состав материала диска, который в конечном итоге эволюционирует в планеты и их атмосферы."

«Теперь мы можем более точно изучать химические компоненты в этих дисках», — говорит Сьерра Грант, постдокторант Института внеземной физики им. Макса Планка (MPE) в Гархинге, Германия. Она является основным автором статьи, посвященной анализу диска вокруг молодой маломассивной звезды, которая была опубликована в The Astrophysical Journal Letters. «Теплый внутренний диск вокруг GW Lup кажется довольно сухим. Хотя мы четко обнаружили молекулы, содержащие углерод и кислород, воды там гораздо меньше, чем ожидалось», — объясняет Грант. Пустота вокруг центральной звезды, лишенная газа, могла бы объяснить отсутствие воды. «Если бы эта дыра простиралась между линиями снега воды и углекислого газа, это объяснило бы, почему мы находим там так мало водяного пара», — говорит Грант. Линии снега указывают на кольцеобразные зоны на разных расстояниях от звезды, где температура падает до значений, при которых замерзают определенные химические соединения. Снежная линия воды ближе к звезде, чем линия углекислого газа.

Следовательно, если полость выходит за пределы снеговой линии воды, газ за пределами этого периметра по-прежнему будет содержать углекислый газ, но лишь небольшое количество воды. Любая планета, формирующаяся там, изначально будет довольно сухой. Следовательно, небольшие ледяные объекты, такие как кометы из внешней планетной системы, могут быть единственным существенным источником воды. С другой стороны, если бы за такой разрыв была ответственна планета, взаимодействующая с диском, это означало бы, что планета накопила воду во время своего формирования. Команда также впервые обнаружила гораздо более редкую версию молекулы углекислого газа в протопланетном диске, содержащую атом углерода, который немного тяжелее, чем гораздо более распространенный тип. В отличие от «нормального» углекислого газа, который просто исследует более теплую поверхность диска, излучение более тяжелого брата может выходить из диска из более глубоких и холодных слоев. Результатом анализа являются температуры от примерно 200 Кельвинов (-75 градусов Цельсия) вблизи средней плоскости диска до примерно 500 Кельвинов (+225 градусов Цельсия) на его поверхности.

Жизнь, кажется, требует углерода, образуя сложные соединения. В то время как простые углеродсодержащие молекулы, такие как окись углерода и двуокись углерода, пронизывают большинство дисков, формирующих планеты, богатая углеводородная химия следующего диска довольно необычна. «Спектр диска вокруг маломассивной звезды J160532 показывает теплый газообразный водород и водородно-углеродные соединения при температуре около 230 градусов по Цельсию», — говорит Бенуа Табоне, исследователь CNRS из Института пространственной астрофизики Университета Париж-Сакле, Франция. и главный автор другого исследования MINDS, которое доступно на сервере препринтов arXiv. Самый сильный спектральный сигнал исходит от горячих молекул ацетилена, каждая из которых состоит из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Другими столь же теплыми газами органических молекул являются диацетилен и бензол, первые обнаружения в протопланетном диске, а также, вероятно, метан. Эти обнаружения показывают, что этот диск содержит больше углерода, чем кислорода. Такая смесь по химическому составу могла влиять и на формирующиеся там атмосферы планет. Напротив, вода кажется почти отсутствующей. Вместо этого большая часть воды может быть заперта в ледяных гальках более холодного внешнего диска, не прослеживаемых этими наблюдениями.

Помимо газа, типичным компонентом протопланетных дисков является твердое вещество. Большая часть его состоит из силикатных зерен, в основном мелкого песка. Они вырастают из наночастиц в беспорядочно структурированные агрегаты микронного размера. При нагревании они могут принимать кристаллическую структуру. Работа, опубликованная группой под руководством Агнес Коспал (MPIA и обсерватория Конколи, Будапешт, Венгрия), которая не является частью программы MINDS, демонстрирует, как такие кристаллы могут проникать в скалистые гальки, из которых в конечном итоге строятся планеты земной группы. Ученые находят такие кристаллы также в кометах и земной коре. Эта работа также опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Команда вновь обнаружила кристаллы, обнаруженные много лет назад в диске вокруг периодически вспыхивающей звезды EX Lup, только что оправившейся от недавней вспышки. Он обеспечивал необходимое тепло для процесса кристаллизации. После периода отсутствия эти кристаллы теперь снова появились в их спектрах, хотя и при гораздо более низких температурах, отдалив их от звезды. Это повторное открытие указывает на то, что повторяющиеся вспышки могут иметь важное значение для обеспечения некоторых строительных блоков планетарных систем.

Эти результаты показывают, что появление JWST открывает новый золотой век астрономических исследований. Уже на этом раннем этапе результаты являются новаторскими. «Мы с нетерпением ждем, какие еще новости принесет JWST», — заявляет Хеннинг. Всего программа MINDS будет нацелена на изучение дисков 50 молодых маломассивных звезд. «Мы стремимся узнать о разнообразии, которое мы найдем». «Усовершенствуя модели, используемые для интерпретации спектров, мы также улучшим полученные результаты. В конце концов, мы хотим использовать все возможности JWST и MIRI для изучения этих планетарных колыбелей», — добавляет Инга Камп, сотрудник MINDS и ученый из Kapteyn. Астрономический институт Гронингенского университета, Нидерланды.

Изучение образования планет вокруг звезд с очень малой массой, т. е. звезд примерно в пять-десять раз менее массивных, чем Солнце, особенно полезно. Вокруг этих звезд слишком много скалистых планет, и уже обнаружено много потенциально обитаемых планет. Поэтому программа MINDS обещает прояснить некоторые ключевые вопросы формирования планет земного типа и, возможно, возникновения жизни. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — самый большой и мощный телескоп, когда-либо запущенный в космос. Это международное партнерство между NASA, ESA и CSA. Mid-InfraRed Instrument (MIRI) компании JWST, созданный европейским консорциумом исследовательских институтов, представляет собой многоцелевой научный прибор для инфракрасных длин волн от 5 до 28 микрон. Он сочетает в себе фотокамеру со спектрографом. При поддержке промышленных партнеров MPIA предоставила механизмы всех элементов выбора длины волны, таких как фильтры и решетки, а также руководила электрическим проектированием MIRI.

Источник