JWST совершил прорыв в планетарной науке. Его наблюдения показывают, что давно предложенная теория формирования планет верна. До сих пор толстые завесы пыли в молодых солнечных системах скрывали доказательства.
Но JWST все это увидел, и теперь мы знаем правду: покрытые льдом гальки из внешних солнечных систем доставляют воду на все еще формирующиеся планеты, расположенные ближе к их звездам.
Споры по поводу воды на Земле бушуют уже несколько десятилетий. Каким-то образом на Земле оказались океаны воды, но неясно, откуда она взялась.
Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад во внутренней части Солнечной системы. Он сформировался внутри вращающегося диска газа и пыли, называемого протопланетным диском. Эти диски формируются вокруг молодых звезд по всей галактике. Самая устойчивая идея состоит в том, что вода пришла откуда-то из протопланетного диска, а не из окрестностей Земли во внутренней Солнечной системе. Самая известная гипотеза состоит в том, что Земля получила воду от комет и астероидов после того, как сформировалась и остыла.
Протопланетные диски вокруг молодых звезд до сих пор остаются загадкой. Мы можем видеть их вокруг других звезд в галактике и даже видеть пробелы в диске, оставленные молодыми, еще формирующимися планетами. Но заглянуть внутрь этих дисков сложно. Одной из причин, по которой был построен JWST, было исследование этих дисков лучше, чем любой другой телескоп.
«Это открытие открывает захватывающие перспективы для изучения формирования каменистых планет вместе с Уэббом!»
Андреа Банзатти, Техасский государственный университет
Протопланетные диски — очень активная область исследований, поскольку мы очень многого не знаем о том, как формируются солнечные системы и планеты. Но происхождение воды на Земле также является горячей темой, и они взаимосвязаны. Идея о том, что вода на нашей планете произошла из объектов, находящихся дальше в Солнечной системе, остается неизменной. Гипотеза гласит, что внутренняя часть Солнечной системы была слишком горячей, чтобы вода могла там оставаться. Но дальше, за линией замерзания, замерзшую воду поглотили кометы и астероиды.
Ранняя Солнечная система была хаотичным местом, и на Землю постоянно обрушивались астероиды, кометы и даже ледяные планетезимали из внешней части Солнечной системы. Согласно этому объяснению, со временем вода накопилась и образовала океаны. Теперь у нас есть Земля, богатая водой.
Но с этой гипотезой всегда были некоторые упрямые проблемы. Некоторые соотношения изотопов указывают на то, что на ранних этапах существования Земли существовала значительная часть воды. Исследования соотношений лунных изотопов также показывают, что Земля получила большую часть своей воды до Гигантского удара, в результате которого возникла Луна, всего через несколько миллионов лет после формирования Солнечной системы.
Но теперь в чат вошел мощный JWST. Его доказательства подтверждают еще одну давнюю теорию формирования планет. Эта теория утверждает, что вода на Землю прибыла во время формирования Земли. Покрытые льдом гальки дрейфовали внутрь из внешней части Солнечной системы, и когда они достигли более теплой внутренней части Солнечной системы, вода сублимировала в пар. И пар, и галька образовали молодые планеты. Это известно как теория дрейфа ледяной гальки.
Эти результаты содержатся в новой статье в The Astrophysical Journal Letters под названием «JWST обнаруживает избыток холодной воды вблизи линии снега в компакт-дисках, что соответствует дрейфу гальки». Ведущий автор — Андреа Банзатти, доцент кафедры физики Техасского государственного университета в Сан-Маркосе, штат Техас.
«Уэбб наконец обнаружил связь между водяным паром во внутреннем диске и дрейфом ледяной гальки из внешнего диска», — сказал Банзатти. «Это открытие открывает захватывающие перспективы для изучения формирования каменистых планет вместе с Уэббом!»
Банзатти и его коллеги использовали MIRI (средний инфракрасный прибор) JWST для изучения четырех молодых звезд, подобных Солнцу, возрастом всего два или три миллиона лет и окруженных протопланетными дисками. Два из них представляли собой компактные диски размером от 10 до 20 а.е., а два из них были расширенными дисками размером от 100 до 150 а.е. Удлиненные диски также имеют большие радиальные зазоры. Теория дрейфа гальки утверждает, что компактные диски более эффективно доставляют ледяную гальку во внутреннюю часть Солнечной системы, что находится в пределах, эквивалентных орбите Нептуна в нашей Солнечной системе. И наоборот, теория также утверждает, что расширенные диски менее эффективны в этом отношении.
Мощный спектрометр среднего разрешения (MRS) JWST работает совместно с MIRI. MRS может отличить холодную воду от теплой, что является важной частью распутывания сложной картины протопланетных дисков. Данные MRS показывают, что в компакт-дисках больше прохладной воды, чем в расширенных.
«Мы представляем новые спектры JWST-MIRI четырех дисков, двух компактных и двух больших с множеством радиальных промежутков, выбранных для проверки сценария, согласно которому водяной пар внутри линии снега регулируется заносом гальки», — говорится в статье. «Наблюдение этого процесса открывает множество интересных перспектив для изучения химии формирования планет во внутренних дисках с помощью JWST».
Теория дрейфа гальки утверждает, что галька ведет себя по-разному в дисках разного размера. Некоторые диски намного больше других, и гидродинамические силы в этих более крупных дисках намного сильнее. Они эффективно фиксируют гальку на своих внешних кольцах, препятствуя сносу внутрь.
Но компактные кольца не обладают такими же сильными гидродинамическими силами. Ледяные камешки легче дрейфуют внутрь, становясь частью скалистых планет, которые обычно образуются во внутренних регионах Солнечной системы. До сих пор у исследователей были проблемы со сбором наблюдений для проверки этой теории.
Исследователи с помощью ALMA сфотографировали многочисленные протопланетные диски вокруг молодых звезд с характерными промежутками, показывающими, где формируются планеты. На основе этих изображений и других данных ученые разработали модели, показывающие, что наличие или отсутствие разрывов в протопланетных дисках регулирует дрейф гальки во внутренние части Солнечной системы.
Однако предыдущим наблюдениям не хватало высокого разрешения, необходимого для того, чтобы заглянуть внутрь этих дисков и проверить эти идеи. Благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба и MIRI ученые наконец наблюдали предсказанное поведение дрейфа гальки как на больших, так и на компактных дисках.
Вот как работает занос гальки. В компакт-дисках, подобных тому, что слева на изображении выше, покрытые льдом гальки беспрепятственно дрейфуют внутрь, к более теплой области, ближе к звезде. Когда они пересекают линию снега или линию астрофизического заморозка, их лед сублимируется в пар. Это доставляет большое количество воды на все еще формирующиеся каменистые планеты ближе к звезде. В правой части изображения выше показан расширенный диск с кольцами и промежутками, вероятно, созданными большими планетами, которые все еще формируются. Эти кольца имеют более высокое давление, чем зазоры. По мере того, как покрытые льдом гальки дрейфуют внутрь, все больше их останавливается кольцами протопланетного диска и задерживается там. Таким образом, меньше ледяных камешков пересекает линию снега и доставляет воду во внутренние регионы.
Банзатти и его коллегам потребовалось некоторое время, чтобы понять данные Уэбба. Первоначально было неясно, о чем им говорят наблюдения. «В течение двух месяцев мы зацикливались на этих предварительных результатах, которые говорили нам, что на компакт-дисках вода более холодная, а на больших дисках вода в целом более горячая», — вспоминает Банзатти. «Это не имело смысла, потому что мы выбрали выборку звезд с очень похожими температурами».
Ответ стал ясен, когда исследователи объединили данные компактных и больших колец. Оно показало, что компакт-диски содержат очень холодную воду прямо внутри снеговых линий, примерно в десять раз ближе, чем орбита Нептуна.
«Теперь мы, наконец, однозначно видим, что именно холодная вода имеет избыток», — сказал Банзатти. «Это беспрецедентно и полностью благодаря более высокой разрешающей способности Уэбба!»
Теперь, когда ученые наблюдали это в других солнечных системах, весьма вероятно и почти наверняка, что именно так Земля получила воду. Это также показывает, как регионы Солнечной системы взаимодействуют друг с другом и что внутренние регионы Солнечной системы не изолированы от внешних регионов.
«В прошлом у нас была очень статичная картина формирования планет, почти как будто существовали изолированные зоны, из которых формировались планеты», — объяснила член команды Колетт Салик из колледжа Вассар в Покипси, штат Нью-Йорк. «Теперь у нас действительно есть доказательства того, что эти зоны могут взаимодействовать друг с другом. Предполагается, что это также произошло и в нашей Солнечной системе».
Это огромное открытие. Но учёные по своей природе осторожны, поэтому не закрыта дверь для других объяснений происхождения воды на Земле. Земля, возможно, получала воду разными путями, а ледяные удары все равно могли доставлять часть воды на нашу планету.
Но результаты открывают некоторые другие интригующие направления исследований. Все начинается с наблюдения за большим количеством дисков, помимо четырех в этом исследовании.
«Результаты этой работы открывают ряд интересных перспектив», — пишут авторы в своей статье. «Хотя эта работа включает в себя первые четыре спектра из программы GO-1640, которая была создана с конкретной целью изучения выбросов воды в связи с дрейфом гальки, большое количество дисковых спектров будет наблюдаться с помощью MIRI в цикле 1 и будущих циклах. ».
Это означает больший размер выборки, что является важной частью подтверждения этих выводов. Имея это в виду, исследователи могут начать собирать воедино более подробную информацию о сценарии дрейфа гальки, задав несколько соответствующих вопросов. Насколько распространен избыток прохладной воды? Это зависит от размера диска? Как на все влияет размер диска, расположение и размер пылевых колец? Как размер и светимость звезды влияют на все это? Как все эти факторы влияют на молекулярную химию во внутренних солнечных системах?
Следите за обновлениями.
