В концепции этого художника сравниваются два типа типичных дисков, образующих планеты вокруг новорожденных звезд, подобных Солнцу. Слева компакт-диск, а справа расширенный диск с пробелами. Ученые с помощью Уэбба недавно изучили четыре протопланетных диска — два компактных и два расширенных. Исследователи разработали свои наблюдения, чтобы проверить, содержат ли компактные диски, образующие планеты, больше воды во внутренних областях, чем расширенные диски, образующие планеты, с промежутками. Это могло бы произойти, если бы покрытые льдом камешки в компактных дисках более эффективно дрейфовали в ближайшие к звезде области, доставляя большое количество твердых веществ и воды к только что сформировавшимся скалистым внутренним планетам. Текущие исследования показывают, что большие планеты могут образовывать кольца повышенного давления, в которых обычно скапливается галька. Поскольку галька дрейфует, каждый раз, когда они сталкиваются с увеличением давления, они имеют тенденцию собираться там. Эти ловушки давления не обязательно останавливают занос гальки, но они препятствуют ему. Именно это и происходит с большими дисками с кольцами и промежутками. Это также могло быть ролью Юпитера в нашей Солнечной системе — он препятствовал доставке гальки и воды на наши маленькие, внутренние и относительно бедные водой каменистые планеты. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, Джозеф Олмстед (STScI)
Ученые, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба, только что сделали революционное открытие, раскрывающее, как образуются планеты. Наблюдая за водяным паром в протопланетных дисках, Уэбб подтвердил физический процесс, включающий дрейф покрытых льдом твердых тел из внешних областей диска в зону каменистой планеты.
Теории уже давно предполагают, что ледяная галька, образующаяся в холодных внешних областях протопланетных дисков — той же области, где в нашей Солнечной системе зарождаются кометы, — должна быть фундаментальным зародышем формирования планет. Основное требование этих теорий состоит в том, что галька должна дрейфовать внутрь звезды за счет трения в газовом диске, доставляя на планеты как твердые тела, так и воду.
Фундаментальное предсказание этой теории заключается в том, что, когда ледяная галька попадает в более теплую область внутри «снежной линии», где лед превращается в пар, она должна выделять большое количество холодного водяного пара. Именно это и заметил Уэбб.
«Уэбб наконец обнаружил связь между водяным паром во внутреннем диске и дрейфом ледяной гальки из внешнего диска», — сказала главный исследователь Андреа Банзатти из Техасского государственного университета в Сан-Маркосе, штат Техас. «Это открытие открывает захватывающие перспективы для изучения формирования каменистых планет вместе с Уэббом!»
«Раньше 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».
Этот рисунок представляет собой интерпретацию данных MIRI Уэбба, прибора среднего инфракрасного диапазона, который чувствителен к водяному пару в дисках. Он показывает разницу между наносом гальки и содержанием воды в компактном диске по сравнению с расширенным диском с кольцами и промежутками. На компакт-диске слева покрытые льдом гальки дрейфуют внутрь, к более теплой области ближе к звезде, и им не мешают. Когда они пересекают линию снега, их лед превращается в пар и обеспечивает большое количество воды, которая обогащает только что формирующиеся скалистые внутренние планеты. Справа — расширенный диск с кольцами и промежутками. Когда покрытые льдом гальки начинают свой путь внутрь, многие из них останавливаются в промежутках и попадают в кольца. Меньшее количество ледяных камешков может пересечь линию снега и доставить воду во внутреннюю область диска. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, Джозеф Олмстед (STScI)
Использование силы Уэбба
Исследователи использовали MIRI Уэбба (прибор среднего инфракрасного диапазона) для изучения четырех дисков — двух компактных и двух расширенных — вокруг солнцеподобных звезд. Возраст всех четырех звезд оценивается от 2 до 3 миллионов лет, они всего лишь новорожденные по космическому времени.
Ожидается, что два компакт-диска будут испытывать эффективный дрейф гальки, доставляя гальку на расстояние, эквивалентное орбите Нептуна. Напротив, ожидается, что галька расширенных дисков будет сохраняться в нескольких кольцах на расстоянии, в шесть раз превышающем орбиту Нептуна.
Наблюдения Уэбба были предназначены для того, чтобы определить, имеют ли компактные диски более высокое содержание воды во внутренней, каменистой области планеты, как и ожидалось, более эффективен ли дрейф гальки и доставляет много твердой массы и воды на внутренние планеты. Команда решила использовать MRS (спектрометр среднего разрешения) MIRI, поскольку он чувствителен к водяному пару в дисках.
Результаты подтвердили ожидания, обнаружив в компакт-дисках избыток холодной воды по сравнению с большими дисками.
По мере того, как галька дрейфует, каждый раз, когда они сталкиваются с ударом давления (повышением давления), они имеют тенденцию собираться там. Эти ловушки давления не обязательно останавливают занос гальки, но они препятствуют ему. Именно это и происходит с большими дисками с кольцами и промежутками.
Текущие исследования показывают, что большие планеты могут образовывать кольца повышенного давления, в которых обычно скапливается галька. Это также могло быть ролью Юпитера в нашей Солнечной системе — он препятствовал доставке гальки и воды на наши маленькие, внутренние и относительно бедные водой каменистые планеты.
Двухуровневый спектральный граф. На верхнем графике сравниваются спектральные данные для теплой и холодной воды в компактном тау-диске GK и расширенном тау-диске CI. На нижнем графике показаны данные об избытке холодной воды на компактном тау-диске GK минус данные о холодной воде на расширенном тау-диске CI. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, Джозеф Олмстед (STScI)
Решение загадки
Когда данные впервые поступили, результаты озадачили исследовательскую группу. «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».
Только когда Банзатти наложил данные с компакт-дисков на данные с больших дисков, ответ стал очевиден: на компакт-дисках есть очень холодная вода прямо внутри линии снега, 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».
Результаты команды опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.
Информация от: Научным институтом космического телескопа.
