Каждую секунду во Вселенной образуется более 3000 новых звезд в результате коллапса облаков пыли и газа под действием гравитации. Оставшаяся пыль и газ затем оседают во вращающийся диск, который способствует росту звезды и в конечном итоге объединяется в планеты, также известные как протопланетный диск. Хотя эта модель, известная как гипотеза туманности, является наиболее широко распространенной теорией, точные процессы, которые приводят к образованию звезд и планетных систем, еще не до конца изучены. Выяснение этих процессов является одной из многих целей Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).
В недавнем исследовании международная группа астрономов под руководством исследователей из Университета Аризоны и при поддержке ученых из Института астрономии Макса Планка (MPIA) использовала передовую инфракрасную оптику JWST для изучения протопланетных дисков вокруг новых звезд. Эти наблюдения дали наиболее детальное представление о газовых потоках, которые формируют и формируют протопланетные диски с течением времени. Они также подтверждают то, о чем давно подозревали ученые, и дают представление о том, как выглядела наша Солнечная система около 4,6 миллиардов лет назад.
Исследование возглавила Илария Паскуччи, профессор астрофизики и планетологии в Лунной и планетарной лаборатории (LPL) Университета Аризоны. К ней присоединились исследователи из Научного института космического телескопа (STScI), Парижской обсерватории, Национальной исследовательской лаборатории оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab), Центра Карла Сагана в Институте SETI, Института астрономии Макса Планка и нескольких Университеты. Статья, описывающая их результаты, появилась недавно в Естественная астрономия.
Чтобы молодые звезды могли расти, они должны всасывать газ из окружающего их протопланетного диска. Для этого газ должен потерять свой момент количества движения (инерцию); в противном случае он постоянно вращался бы вокруг звезды и никогда бы не рос на ней. Однако механизм, который делает это возможным, остается спорным среди астрономов. В последние годы в качестве возможного механизма появились дисковые лебедки с магнитным приводом. Движимые преимущественно магнитными полями, эти «ветры» переносят потоки газа из диска, образующего планету, в космос со скоростью десятки километров в секунду.
Это приводит к тому, что он теряет угловой момент, и оставшийся газ падает внутрь звезды. Для своего исследования исследователи выбрали четыре протопланетные дисковые системы, которые можно увидеть с Земли с ребра. Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRSpec), команда смогла отслеживать различные слои ветра, настроив прибор на обнаружение различных атомов и молекул в определенных переходных состояниях. Используя интегральный полевой блок (IFU) спектрографа, команда также получила спектральную информацию с пространственным разрешением по всему полю зрения.
Это позволило команде отслеживать дисковые ветры с беспрецедентной детализацией и обнаружить сложную трехмерную слоистую структуру: центральную струю, встроенную в конусообразную оболочку ветров на увеличивающихся расстояниях. Команда также заметила отчетливую центральную дыру в конусах всех четырех протопланетных дисков. По мнению Паскуччи, один из наиболее важных процессов — это то, как звезда накапливает вещество из окружающего ее диска:
«То, как звезда увеличивает массу, оказывает большое влияние на то, как окружающий диск развивается с течением времени, в том числе на то, как позже формируются планеты. Точные механизмы, благодаря которым это происходит, пока не ясны, но мы полагаем, что ветры, создаваемые магнитными полями на большей части поверхности диска, могут играть очень важную роль».
Но за формирование протопланетных дисков ответственны и другие процессы. Сюда входит и «X-ветер», при котором магнитное поле звезды выталкивает материал на внутреннем крае диска наружу. Есть также «тепловые ветры», которые дуют с гораздо меньшей скоростью и вызваны интенсивным звездным светом, разрушающим ее внешний край. Высокая чувствительность и разрешение JWST идеально подходили для различения ветра, вызванного магнитным полем, X-ветра и теплового ветра. Эти наблюдения выявили невиданную ранее вложенную структуру различных компонентов ветра.
Ключевое различие между ветрами с магнитным приводом и ветрами X заключается в том, что они расположены дальше и охватывают более крупные регионы. Эти ветры охватывают регионы, соответствующие внутренним каменистым планетам нашей Солнечной системы, например, между Землей и Марсом. Они также распространяются по диску дальше, чем термические ветры, достигая в сотни раз большего расстояния между Землей и Солнцем. Хотя астрономы ранее находили наблюдательные свидетельства этих ветров на основе интерферометрических наблюдений на радиоволнах, они не смогли детально отобразить весь диск, чтобы определить морфологию ветров.
Напротив, новые наблюдения JWST выявили вложенную структуру и морфологию, которые соответствовали ожиданиям астрономов относительно магнитного дискового ветра. Заглядывая в будущее, Паскуччи и ее команда надеются распространить эти наблюдения на дополнительные протопланетные диски, чтобы увидеть, насколько распространены наблюдаемые структуры ветра на дисках и как они развиваются.
«Наши наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что мы получили первые подробные изображения ветров, которые могут устранить угловой момент и решить давнюю проблему формирования звезд и планетных систем», — сказала она. «Мы думаем, что они могут быть общими, но с четырьмя объектами сказать немного сложно. Мы хотим использовать JWST, чтобы получить большую выборку, а затем посмотреть, сможем ли мы обнаружить изменения в этих ветрах по мере того, как собираются звезды и формируются планеты».
Дальнейшее чтение: MPIA, Естественная астрономия
