От пыли до планет: человечество разгадало секрет космоса

Астрономы со всего мира, включая специалистов из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны, представили сенсационные данные о процессах, происходящих в газовых и пылевых дисках вокруг молодых звёзд.

Эти открытия стали возможны благодаря использованию мощного телескопического комплекса ALMA, расположенного в пустыне Атакама. Результаты исследования, опубликованные в виде 12 научных статей в специальном выпуске одного из ведущих астрономических журналов, раскрывают новые подробности о формировании планет и эволюции звёздных систем.

Исследование проводилось в рамках масштабного проекта ALMA под названием AGE-PRO, целью которого было изучение эволюции газа в протопланетных дисках. Учёные наблюдали 30 дисков вокруг звёзд, подобных нашему Солнцу, чтобы определить, как масса газового компонента меняется с возрастом.

Одним из ключевых выводов стало то, что газ и пыль в этих дисках эволюционируют с разной скоростью, что ранее не удавалось зафиксировать с такой точностью. Если раньше наблюдения ALMA сосредотачивались на изучении пылевых компонентов, то AGE-PRO впервые позволило проследить изменения в газовой составляющей, предоставив уникальные данные о массе и размерах газовых дисков на разных этапах формирования планет. Один из руководителей проекта отметил, что изучение газа представляет собой гораздо более сложную задачу, чем анализ пыли, из-за чего потребовалась столь масштабная программа, чтобы собрать статистически значимую выборку.

Протопланетные диски вращаются вокруг своих звёзд на протяжении миллионов лет, и за это время газ и пыль в них претерпевают значительные изменения, постепенно рассеиваясь. Эти процессы определяют, сколько времени требуется для формирования планет-гигантов, таких как Юпитер, а также влияют на типы планет — газовые гиганты, ледяные гиганты или мини-Нептуны — и их возможные пути миграции.

Начальные характеристики диска, такие как его масса, размер и угловой момент, играют решающую роль в этих процессах. Продолжительность существования газа в диске также определяет, как быстро пылевые частицы превращаются в астероиды, а затем в полноценные планеты, которые впоследствии могут мигрировать из места своего рождения.

Одним из самых неожиданных открытий стало то, что газ и пыль в дисках расходуются с разной скоростью, а соотношение их масс меняется по мере старения дисков. В отличие от пыли, которая может оставаться в диске длительное время, газ рассеивается быстрее в молодом возрасте диска, а затем этот процесс замедляется. Это означает, что формирующиеся планеты теряют больше газа на ранних стадиях своего развития. Ещё один участник исследования подчеркнул, что, хотя большинство дисков исчезают через несколько миллионов лет, те, что сохраняются дольше, содержат больше газа, чем ожидалось. Это открытие позволяет предположить, что у газовых гигантов, таких как Юпитер, меньше времени на формирование по сравнению с каменистыми планетами.

Благодаря высокой чувствительности ALMA учёные смогли изучить холодный газ в дисках, используя слабые молекулярные линии — своеобразные "отпечатки пальцев" в световом спектре, которые помогают идентифицировать различные газовые молекулы.

AGE-PRO стало первым крупномасштабным химическим исследованием такого рода, охватившим 30 протопланетных дисков в трёх звездообразующих регионах разного возраста: Змееносце (самом молодом, около 1 миллиона лет), Волчьей звезде (1-3 миллиона лет) и Верхнем Скорпионе (самом старом, до 6 миллионов лет). С помощью ALMA были собраны данные о ключевых показателях масс газа и пыли на всех этапах эволюции дисков — от их зарождения до полного рассеивания. Эти данные станут основой для создания обширной библиотеки наблюдений, которая охватывает широкий спектр стадий развития дисков.

Один из аспирантов, участвовавших в проекте, рассказал, что он занимался обработкой данных, необходимой для преобразования радиосигналов в оптические изображения дисков в области звездообразования Волчьей звезды. По его словам, новые длительные наблюдения позволили не только оценить массу газа в самых ярких и хорошо изученных дисках, но и впервые обнаружить газовые индикаторы в более мелких и тусклых дисках, что значительно расширило выборку. Ещё один руководитель проекта добавил, что на разработку правильного подхода к анализу данных ушло несколько лет, чтобы получить точные изображения газовых масс, которые легли в основу множества статей, написанных в рамках этого сотрудничества.

Для измерения массы газа в дисках учёные использовали угарный газ как основной индикатор, но для повышения точности добавили дополнительные молекулярные маркеры, такие как ион диазенилия (N2H+), который помогает отслеживать азот в межзвёздных облаках.

Также были изучены спектральные характеристики других молекул, включая формальдегид, метилцианид и соединения с дейтерием — изотопом водорода. Один из участников исследования отметил, что их удивило ещё одно открытие: соотношение масс газа и пыли в дисках разного размера оказалось более стабильным, чем предполагалось ранее. Это противоречит прежним представлениям, согласно которым диски меньшего размера должны терять газ быстрее.

Уточнения

Юпи́тер — самая большая планета в Солнечной системе, пятая по удалённости от Солнца.