Согласно теории туманностей, звезды и их системы планет образуются, когда массивное облако газа и пыли (туманность) подвергается гравитационному коллапсу в центре, образуя новую звезду. Оставшийся материал туманности затем образует диск вокруг звезды, из которого в конечном итоге будут аккрецироваться планеты, луны и другие тела (протопланетный диск). Именно так Земля и многочисленные тела, составляющие Солнечную систему, объединились примерно 4,5 миллиарда лет назад, в конечном итоге заняв свои нынешние орбиты (после нескольких миграций и столкновений).
Однако до сих пор ведутся споры относительно некоторых деталей процесса формирования планет. С одной стороны, есть те, кто придерживается традиционной модели «снизу вверх», где пылевые частицы постепенно собираются во все более крупные конгломераты в течение десятков миллионов лет. С другой стороны, у вас есть модель «сверху вниз», где материал околозвездного диска в спиральных рукавах фрагментируется из-за гравитационной нестабильности. Используя Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), международная группа астрономов обнаружила доказательства модели «сверху вниз» при наблюдении за протопланетным диском на расстоянии более 500 световых лет.
Команду возглавила Джессика Спиди, кандидат наук по астрономии и астрофизике в Университете Виктории. К ней присоединились коллеги из Института астрономии и астрофизики Кавли (KIAA-PKU), Центра имитационной физики (CSP-UGA), Кембриджского института астрономии, Центра астрофизических исследований Лиона (CNSA-CRAL), Института астрономии и астрофизики (ASIAA), Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах (MIT EAPS), Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Европейской южной обсерватории (ESO) и нескольких университетов и обсерваторий.
Статья, в которой подробно описывается их исследование, «Гравитационная нестабильность в диске, формирующем планеты», была недавно опубликована в журнале Природа.
Расположенный в пустыне Атакама в чилийских Андах, ALMA является крупнейшим радиотелескопом в мире, посвященным изучению частей Вселенной, которые в противном случае невидимы для астрономов. Сюда входят холодные пылевые облака в космосе, протопланетные диски и некоторые из самых ранних галактик во Вселенной, которые видны только на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. Используя ALMA, Спиди и ее коллеги наблюдали хорошо охарактеризованный протопланетный диск вокруг AB Возничего, молодой звездной системы (4 миллиона лет), расположенной примерно в 530 световых годах от Земли.
Звезда является звездой класса A до главной последовательности (голубовато-белая), примерно в 2,5 раза больше нашего Солнца и примерно в 2,4 раза массивнее. Начиная с 2017 года ученые ALMA начали наблюдать за протопланетным диском звезды, чтобы узнать больше о формировании планет в молодых звездных системах. С тех пор астрономы наблюдали несколько развивающихся протопланет, формирующихся в диске AB Возничего, а также газового гиганта в девять раз тяжелее Юпитера, что было подтверждено в 2022 году. Они выглядят как сгустки внутри спиральных рукавов протопланетного диска, вращающиеся против часовой стрелки вокруг звезды.
Обнаружение этих тел вокруг такой молодой звезды вызвало сомнения относительно процесса «снизу вверх». Согласно этой модели, у этих протопланет не было достаточно времени, чтобы стать такими большими, какими они являются. Вместе со своим научным руководителем Руобингом Донгом, Спиди и их команда были полны решимости изучить, как движется газ в обширных спиральных рукавах системы. Чувствительность и высокое разрешение скорости ALMA имели решающее значение для этой задачи и позволили команде исследовать газ глубоко внутри диска и точно измерить его движение.
Доктор Кассандра Холл, доцент кафедры вычислительной астрофизики в Университете Джорджии, также была соавтором исследования. Четыре года назад Холл руководила исследованием, в котором она и ее коллеги (включая Донга и других членов команды Спиди) моделировали, как будет вести себя гравитационно нестабильный диск. Как она указала в пресс-релизе NRAO:
«Гравитационно нестабильные диски должны иметь характерные «колебания» в поле скорости, в отличие от стабильных дисков. В 2020 году мы провели одно из самых передовых в мире моделирования, чтобы предсказать существование этого отличительного признака гравитационной нестабильности. Это было ясно, это можно было проверить, и это было немного страшно — если мы этого не найдем, значит, что-то было очень, очень неправильно в нашем понимании этих дисков».
Спиральные рукава образуются в протопланетном диске, когда отношение массы диска к массе звезды достаточно велико. Со временем изменения плотности приводят к изменениям гравитации, что вызывает изменения скоростей газа внутри и вокруг спиральных рукавов. Эти изменения скорости рассматриваются как «покачивание», и величина может быть использована для вывода соотношения масс между звездой-хозяином и материалом в ее диске. Используя массив радиоантенн ALMA, Спиди и ее команда составили карту скорости изотопов оксида углерода в спиральных рукавах диска и искали признаки предсказанных «покачиваний».
Эти измерения дали трехмерный прямоугольный «куб данных», который отображал скорость газа и положение в протопланетном диске вдоль линии визирования обсерватории. Как это принято в интерферометрических измерениях ALMA, данные были разобраны на «срезы» (или стратегически ориентированные разрезы), что позволило Спиди и ее команде окончательно идентифицировать колебание скорости, указывающее на гравитационную нестабильность. Это представляет собой первое прямое наблюдательное подтверждение того, что путь «сверху вниз» к формированию планет является правильным.
Более того, это указывает на то, что планетные системы могут формироваться гораздо быстрее, чем считалось ранее, что может иметь значительные последствия для астрогеологии и исследования экзопланет. Как объяснил Спиди, работа Холла, чувствительность ALMA и качественные продукты данных, которые она для них создала, сделали это открытие возможным:
«Это классическая научная история о том, что «мы предсказали это, а затем мы это нашли». Отличительный признак гравитационной нестабильности. Мы работали с одним из самых глубоких наблюдений ALMA, сделанных с таким высоким разрешением по скорости в направлении одного протопланетного диска на сегодняшний день. Данные ALMA дают четкую диагностику гравитационной нестабильности в действии. Нет другого известного нам механизма, который мог бы создать глобальную архитектуру спиральной структуры и скоростных моделей, которые мы наблюдаем».
В ближайшем будущем Спиди и ее коллеги планируют продолжить использовать ALMA, чтобы узнать больше о том, как формируются планетные системы вокруг молодых звезд. В рамках программы послов ALMA NFS/NRAO Спиди тренируется вместе с другими аспирантами и начинающими астрономами, чтобы поделиться ресурсами и возможностями ALMA с более широким астрономическим сообществом.
Дальнейшее чтение: NRAO, Природа
