Обзор "роддомов" планет помог понять, как удаётся выжить землеподобным мирам

Прямые наблюдения протопланетных дисков вновь заставляют астрономов пересматривать теории образования планет.

Иллюстрация University of Copenhagen/Lars Buchhave.

Исследователи получили и проанализировали детальные изображения двадцати ближайших к Земле протопланетных дисков.

Иллюстрация ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.

Специалисты много лет ломают голову над тем, почему скалистые планеты не падают на звезду ещё "в младенчестве". Похоже, новые астрономические наблюдения дают ответ на этот вопрос, а также вынуждают астрономов серьёзно пересмотреть свои теории.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о современных воззрениях на образование планет. Напомним вкратце, что речь идёт о постепенном слипании протопланетной пыли в "комки" под действием собственной гравитации. В классическом варианте теории на формирование полноценного небесного тела при этом уходит много миллионов лет.

Между тем в последние годы появились свидетельства того, что планеты могут рождаться гораздо быстрее. На это намекали полосы и кольца в протопланетных дисках, похожие на следы, оставляемые в их веществе новорождёнными мирами.

Первые такие изображения были получены в 2014 году и относились к звезде HL Тельца. Впоследствии такие же структуры обнаружились в нескольких других протопланетных дисках, некоторым из которых было всего несколько миллионов лет отроду.

"Когда [радиотелескоп] ALMA продемонстрировал свои реальные возможности с помощью своего знаменитого изображения HL Тельца, нам пришлось задаться вопросом, является ли [обнаруженное явление] необычным", – рассказывает соавтор нового исследования Лаура Перес (Laura Perez) из Чилийского университета.

С этой целью астрономы провели детальный обзор двадцати ближайших к Земле протопланетных дисков с помощью уже упомянутого ALMA.

Поясним, что протопланетный диск состоит из газа и пыли. Эта пыль поглощает излучение звезды и испускает эту энергию в виде инфракрасного излучения и радиоволн миллиметрового диапазона. Это делает протопланетные диски подходящим объектом наблюдения для радиотелескопа.

Исследователи получили и проанализировали детальные изображения двадцати ближайших к Земле протопланетных дисков.
Исследователи получили и проанализировали детальные изображения двадцати ближайших к Земле протопланетных дисков.
Иллюстрация ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.

Близость объектов наблюдения и блестящие характеристики инструмента позволили наблюдателям различать структуры размером в несколько астрономических единиц (одна а.е. – это среднее расстояние от Земли до Солнца).

Обнаружилось, что кольца с повышенной и пониженной концентрацией вещества (вероятные следы новорождённых миров) – отнюдь не аномалия. Они нашлись практически во всех исследованных протопланетных дисках. При этом подобные структуры могут лежать на очень разном расстоянии от звезды, от всего нескольких а.е. до более чем сотни а.е. Для сравнения: среднее расстояние от Солнца до Плутона – менее 40 а.е.

Кроме повсеместно встречающихся колец, в некоторых изученных дисках нашлись дуги и крупномасштабные спирали вещества.

Сопоставив данные этих наблюдений с расчётным возрастом объектов, авторы сделали вывод: планеты-гиганты вроде Юпитера или Нептуна образуются гораздо быстрее, чем им "разрешает" классическая теория.

"Эти последние наблюдения показывают, что, хотя это и поразительно, HL Тельца далеко не необычна и может фактически представлять сбой [образец] нормального развития планет вокруг молодых звёзд", – констатирует Перес.

Эти результаты помогают объяснить парадокс, о котором речь шла в самом начале. Согласно расчётам астрономов, в однородном протопланетном диске зародыши скалистых планет должны упасть на звезду, едва достигнув одного сантиметра в диаметре. Эксперты несколько десятилетий пытались согласовать этот вывод с тем фактом, что свои теории они разрабатывают, находясь на вполне благополучно существующей скалистой Земле.

Теперь выяснилось, что типичный диск отнюдь не является однородным. Быстро образовавшиеся планеты-гиганты движутся сквозь него, в буквальном смысле пропахивая борозды и отвалы. По мнению авторов нового исследования, эти плотные кольца пыли могут послужить своего рода убежищем для зарождающихся миров земного типа. В такой среде они могут спокойно расти и набирать массу, постепенно превращаясь в полноценную планету.

Впрочем, этот ответ, как всегда, порождает новые вопросы. И главный из них в том, как газовым гигантам удаётся вопреки классической теории образовываться так быстро. К слову, отметим, что это не единственная проблема, которую ставят перед моделями формирования планет недавние наблюдения.

Результаты обзора подробно изложены в десяти научных статьях, принятых к публикации в издании Astrophysical Journal Letters. Препринты этих работ доступны на сайте arXiv.org, и полный перечень ссылок можно найти в пресс-релизе исследования.