Протопланетный диск вокруг звезды очень малой массы, представление художника. На нем изображена подборка молекул углеводородов (метан, CH4; этан, C2H6; этилен, C2H2; диацетилен, C4H2; пропин, C3H4; бензол, C6H6), обнаруженных в диске вокруг ISO-ChaI 147. Фото: ALMA (ESO/NAOJ/ НРАО) / MPIA
Планеты формируются в дисках газа и пыли, вращающихся вокруг молодых звезд. Исследование MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), проводимое Томасом Хеннингом из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, направлено на создание репрезентативной выборки диска. Исследуя их химию и физические свойства с помощью MIRI (среднего инфракрасного прибора) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), команда связывает эти диски со свойствами планет, потенциально образующихся там.
В новом исследовании группа исследователей исследовала окрестности очень малой звезды с массой 0,11 солнечной массы (известной как ISO-ChaI 147), результаты которой опубликованы в журнале Science.
JWST открывает новое окно в химию планетообразующих дисков
«Эти наблюдения невозможны с Земли, поскольку соответствующие выбросы газа поглощаются ее атмосферой», — объяснил ведущий автор Адитья Арабхави из Университета Гронингена в Нидерландах.
«Раньше мы могли идентифицировать только излучение ацетилена (C2H2) от этого объекта. Однако более высокая чувствительность JWST и спектральное разрешение его инструментов позволили нам обнаружить слабое излучение менее распространенных молекул».
Коллаборация MINDS обнаружила газ с температурой около 300 Кельвинов (около 30 градусов по Цельсию), сильно обогащенный углеродосодержащими молекулами, но не содержащий соединений, богатых кислородом. «Это глубоко отличается от состава, который мы видим в дисках вокруг звезд солнечного типа, где доминируют кислородсодержащие молекулы, такие как вода и углекислый газ», — добавила член команды Инга Камп из Гронингенского университета.
Ярким примером богатого кислородом диска является диск PDS 70, где программа MINDS недавно обнаружила большое количество водяного пара. Учитывая более ранние наблюдения, астрономы пришли к выводу, что диски вокруг звезд с очень малой массой развиваются иначе, чем диски вокруг более массивных звезд, таких как Солнце, что потенциально может привести к обнаружению там каменистых планет с земными характеристиками.
Поскольку среда в таких дисках определяет условия формирования новых планет, любая такая планета может быть каменистой, но совершенно непохожей на Землю в других аспектах.
Что это означает для каменистых планет, вращающихся вокруг звезд с очень малой массой?
Количество материала и его распределение по этим дискам ограничивают количество и размеры планет, которые диск может снабдить необходимым материалом. Следовательно, наблюдения показывают, что каменистые планеты с размерами, подобными Земле, формируются более эффективно, чем газовые гиганты, подобные Юпитеру, в дисках вокруг звезд с очень малой массой, наиболее распространенных звезд во Вселенной. В результате на звездах с очень малой массой на сегодняшний день находится большинство планет земной группы.
На этом рисунке представлены некоторые результаты исследования MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), цель которого — построить мост между химическим составом дисков и свойствами экзопланет. В новом исследовании научная группа исследовала область вокруг очень малой звезды с массой 0,11 солнечной массы (известной как ISO-ChaI 147). Эти наблюдения дают представление об окружающей среде, а также об основных ингредиентах для формирования таких планет. Команда обнаружила, что газ в области формирования планет звезды богат углеродом. Потенциально это может быть связано с тем, что углерод удаляется из твердого материала, из которого могут формироваться каменистые планеты, и может объяснить, почему Земля относительно бедна углеродом. Спектр, полученный с помощью Mid-InfraRed Instrument Уэбба (MIRI), показывает самый богатый углеводородный химический состав, наблюдаемый на сегодняшний день в протопланетном диске, состоящий из 13 углеродсодержащих молекул вплоть до бензола. Это включает в себя первое внесолнечное обнаружение этана (C2H6), крупнейшего полностью насыщенного углеводорода, обнаруженного за пределами нашей Солнечной системы. Поскольку ожидается, что полностью насыщенные углеводороды образуются из более простых молекул, их обнаружение здесь дает исследователям подсказку о химической среде. Команда также впервые успешно обнаружила этилен (C2H4), пропин (C3H4) и метильный радикал CH3 в протопланетном диске. На этом графике показано обнаружение этана (C2H6), метана (CH4), пропина (C3H4), цианоацетилена (HC3N) и метильного радикала CH3. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, Р. Кроуфорд (STScI)
«Во многих первичных атмосферах этих планет, вероятно, будут преобладать углеводородные соединения, а не богатые кислородом газы, такие как вода и углекислый газ», — отметил Хеннинг.
«В более раннем исследовании мы показали, что транспорт богатого углеродом газа в зону, где обычно формируются планеты земной группы, происходит быстрее и более эффективно в этих дисках, чем в дисках более массивных звезд».
Хотя кажется очевидным, что диски вокруг звезд с очень малой массой содержат больше углерода, чем кислорода, механизм этого дисбаланса до сих пор неизвестен. Состав диска является результатом либо обогащения углеродом, либо восстановления кислорода. Если углерод обогащен, то причиной, вероятно, являются твердые частицы в диске, углерод которых испаряется и выделяется в газовую составляющую диска.
Пылинки, лишенные первоначального углерода, в конечном итоге образуют каменистые планетные тела. Эти планеты будут бедны углеродом, как и Земля. Тем не менее, химия на основе углерода, вероятно, будет доминировать, по крайней мере, в их первичной атмосфере, состоящей из дискового газа. Следовательно, звезды с очень малой массой могут оказаться не лучшими условиями для поиска планет, подобных Земле.
JWST обнаружил множество органических молекул
Чтобы идентифицировать газы диска, команда использовала спектрограф MIRI, чтобы разложить инфракрасное излучение, полученное от диска, на сигнатуры небольших диапазонов длин волн — подобно тому, как солнечный свет расщепляется на радугу. Таким образом, команда выделила множество индивидуальных сигнатур, приписываемых различным молекулам.
В результате наблюдаемый диск содержит самый богатый углеводородный химический состав, наблюдаемый на сегодняшний день в протопланетном диске, состоящий из 13 углеродсодержащих молекул вплоть до бензола (C6H6). В их число входит первое обнаружение внесолнечного этана (C2H6), крупнейшего полностью насыщенного углеводорода, обнаруженного за пределами Солнечной системы.
Команда также впервые успешно обнаружила этилен (C2H4), пропин (C3H4) и метильный радикал CH3 в протопланетном диске. Напротив, данные не содержали ни намека на воду или угарный газ на диске.
Уточнение изображения дисков вокруг звезд очень малой массы
Затем научная группа намерена расширить свое исследование, включив в него более крупную выборку таких дисков вокруг звезд с очень малой массой, чтобы лучше понять, насколько распространены такие экзотические, богатые углеродом регионы формирования планет земной группы.
«Расширение нашего исследования также позволит нам лучше понять, как могут образовываться эти молекулы», — объяснил Хеннинг. «Некоторые особенности данных также до сих пор не идентифицированы, что требует дополнительной спектроскопии для полной интерпретации наших наблюдений».
Информация от: Обществом Макса Планка
