Астрофизики запечатлели окончание формирования планеты из диска газа и пыли

Планетные системы, подобные Солнечной, содержат больше каменистых объектов, чем состоящих из газа. В нашей системе к каменистым относятся планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс, а также пояс астероидов (область Солнечной системы между орбитами Марса и Юпитера) и объекты пояса Койпера, такие как Плутон, Плутон, Эрида, Хаумеа, Макемаке и другие.

Однако большая часть материи содержится в газе Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — объектах, которые находятся вдалеке от Солнца. При этом астрономам давно известно, что в дисках, образующих планеты, содержится в 100 раз больше газа, чем твердых тел. Но как и когда большая часть газа покидает внутреннюю область системы?

Известно, что планеты формируются в протопланетных дисках — газопылевых плоских облаках вокруг молодых звезд. Непосредственно планеты образуются, когда планетезимали — небесные тела на орбите вокруг протозвезды, состоящие из мелких частиц (от англ. planet — планета и англ. infinitesimal — бесконечно малая) — сталкиваются и склеиваются друг с другом на протяжении определенного времени. Количество доступного материала и продолжительность его пребывания в диске влияют на вид, размер и окончательное местоположение планет. Проще говоря, результат формирования планет зависит от эволюции и распространения диска.

Ранее считалось, что внутренняя часть протопланетного диска со временем просто исчезает, когда пыль и газ замедляются и в конечном итоге «поглощаются» звездой. Выдвигалось предположение, что этому может способствовать ветер, вызванный высокоэнергетическими звездными фотонами (светом звезды). 

Однако компьютерное моделирование в рамках нескольких исследований помогло выяснить, что важную роль в этом процессе играет магнитогидродинамический ветер — потоки газа, которые ускорены магнитным полем звезды. Они могут замедлить вращение газопылевого облака вокруг звезды, и остатки материала исчезают внутри звезды. Однако доказательств тому, что ветры влияют на рассеивание диска, не было, как и возможности определить, какой именно ветер воздействует на газ и пыль.

В рамках нового исследования, вышедшего в The Astronomical Journal, ученым удалось точно определить и даже различить влияние этих ветров. Это произошло благодаря наблюдению за яркой молодой звездой SZ Cha (SZ Chamaeleontis) при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб». SZ Cha — это желтый карлик наподобие Солнца, окруженный затухающим диском со значительной пылевой «щелью», по размеру примерно в 30 раз превышающей расстояние от Земли до Солнца. При этом в газе подобных разрывов нет. Телескоп помог выявить излучение неона и аргона, которое раньше астрофизики не могли обнаружить одновременно. 

Предыдущие наблюдения за звездой в 2008 году при помощи телескопа НАСА «Спитцер» уже выявили сильное излучение неона [Ne II], но из-за невозможности фиксации его колебаний было непонятно, какой ветер воздействует на диск. Также невозможно было измерить, сколько массы теряет диск в этом процессе. 

В новой работе исследователи выявили четыре спектральные линии благородных газов аргона и неона: [Ar II], [Ar III], [Ne II] и [Ne III], причем [Ar III] был впервые обнаружен в протопланетном диске. Ученые использовали коэффициенты потоков линий, чтобы ограничить энергию ионизирующих фотонов, и определили, что аргон ионизируется сильным ультрафиолетом, тогда как неон — рентгеновскими лучами. После расчетов оказалось, что излучение газов указывает на развитую стадию внутреннего магнитогидродинамического ветра, однако согласуется и с существованием внешнего теплового ветра, ионизированного и управляемого высокоэнергетическими звездными фотонами. То есть на рассеяние протопланетного диска влияют оба типа ветров.

Кроме того, одновременное измерение всех четырех спектральных линий благородных газов помогло выяснить, что масса, которая ежегодно рассеивается, эквивалентна массе Луны.

Таким образом, спектральные линии газов указывают на поздний этап формирования системы, и объясняются как «магнитным» ветром, так и «фотонным». Понимая механизмы, лежащие в основе рассеяния дисков, ученые смогут лучше предсказывать сроки рождения новых планет и условия, способствующие этому.

Также на основе данных с двух телескопов авторы исследования предположили, что уже скоро можно будет наблюдать, как протопланетный диск SZ Cha окончательно рассеется — на это потребуется лишь несколько десятилетий, так как он находится в конце своей эволюции.