Мы не можем понять то, что не можем ясно видеть. Этот факт беспокоит ученых, изучающих формирование планет. Формирование планет происходит внутри толстого, затемняющего диска газа и пыли. Но когда дело доходит до того, чтобы увидеть сквозь эту пыль место, где зарождающиеся планеты начинают обретать форму, у астрономов есть новый мощный инструмент: космический телескоп Джеймса Уэбба.
В последние несколько лет мы получили заманчивые изображения протопланетных дисков вокруг молодых звезд. За это отвечает ALMA, Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы. Он получил изображения многих из этих дисков вокруг молодых звезд, включая характерные промежутки, где, вероятно, формируются планеты.
Получение изображений дисков теперь становится обычным явлением, но астрономам удалось обнаружить только две формирующиеся планеты.
Но теперь исследователи привлекли JWST к решению этой проблемы. Результаты этих усилий представлены в трех новых исследованиях, опубликованных в The Astronomical Journal. Они есть:
Исследование объединяет новые наблюдения JWST с предыдущими наблюдениями «Хаббла» и ALMA. Астрономы, стоящие за каждым из исследований, использовали JWST, чтобы раскрыть новые, ранние подсказки о процессе формирования планет, в том числе о том, как этот процесс формирует диск, из которого они родились. Если они смогут определить особенности, уникальные для формирования планет, они смогут затем искать эти особенности вокруг других дисков.
HL Tau, SAO 206462 и MWC 758 — это протопланетные диски, которые наблюдались другими телескопами. Мощные инфракрасные возможности JWST должны дать новое представление об этих дисках и их планетах. Это потому, что по мере того, как планеты собирают на себя больше материала, они испускают инфракрасное излучение.
«Когда материал падает на планету, он ударяется о поверхность и выделяет линию излучения на определенных длинах волн», — сказал астроном Габриэль Куньо, который участвовал во всех трех статьях. «Мы используем набор узкополосных фильтров, чтобы попытаться обнаружить это наращивание. Раньше это делалось с земли на оптических длинах волн, но это первый раз, когда это делается в инфракрасном диапазоне с помощью JWST».
MWC 758 — молодая звезда со спиральным протопланетным диском.
Используя математическое моделирование, исследователи показали, что гигантская планета под названием MWS 758c за пределами спиралей может создавать спирали. Они также показали, что симметрия рукавов может ограничивать массу планеты. В этом случае они смогут определить более низкий диапазон массы планеты: примерно от 4 до 8 масс Юпитера. Но они его не нашли. Согласно моделированию, дальше может существовать еще более массивный спутник, но ни один из них не был обнаружен.
SAO 206462 — еще одна молодая звезда, окруженная диском. У него также есть четко выраженные спиральные рукава, что указывает на наличие массивной планеты. Астрономы, изучавшие эту звезду и диск, все-таки нашли планету, но не ту, которую они ожидали.
«Некоторые симуляции предполагают, что планета должна находиться внутри диска, массивная, большая, горячая и яркая. Но мы его не нашли. Это означает, что либо планета намного холоднее, чем мы думаем, либо она может быть скрыта каким-то материалом, который не позволяет нам ее увидеть», — сказал ведущий автор Габриэле Куньо, также соавтор других статей. «Мы обнаружили другого кандидата на планету, но мы не можем со 100% уверенностью сказать, планета ли это, или слабая фоновая звезда или галактика, загрязняющая наше изображение. Будущие наблюдения помогут нам понять, на что именно мы смотрим».
Ожидается, что за спиральные формы ответственны массивные газовые гиганты. Но даже JWST изо всех сил пытается их найти. «Проблема в том, что все, что мы пытаемся обнаружить, в сотни тысяч, если не в миллионы раз слабее звезды», — сказал Куньо. «Это все равно, что пытаться обнаружить маленькую лампочку рядом с маяком».
HL Tau — третья звезда и диск, исследованные JWST, и самая молодая, возрастом менее 100 000 лет. HL Tau хорошо известна в астрономии благодаря характерным промежуткам и кольцам в ее диске, а также некоторым другим особенностям. Например, астрономы обнаружили в ее диске водяной пар прямо в том месте, где предположительно формируется планета.
JWST обнаружил известную звездную оболочку, полость истечения и другие особенности. Но, к сожалению, нет планеты.
«HL Tau — самая молодая система в нашем исследовании, и она все еще окружена плотным потоком пыли и газа, падающего на диск», — сказал Маллин, соавтор всех трех исследований. «Мы были поражены уровнем детализации, с которым мы смогли увидеть окружающий материал с помощью JWST, но, к сожалению, он скрывает любые сигналы от потенциальных планет».
Одна из сложностей ХЛ Тау – ее молодость. Чем моложе звезда, тем больше газа и пыли находится в диске. В конечном итоге он поглощается планетами, а остальная часть рассеивается дисковым ветром. Но HL Tau настолько молод, что диск очень толстый.
«Хотя существует масса доказательств продолжающегося формирования планет, HL Tau слишком молод, и у него слишком много пыли, чтобы увидеть планеты напрямую», — сказал Джаррон Лейзенринг, главный исследователь исследовательской кампании по поиску формирующихся планет и астроном Университета. Обсерватории Стюарда в Аризоне. «Мы уже начали изучать другие молодые системы с известными планетами, чтобы сформировать более полную картину».
Но астрономия полна сюрпризов, особенно при работе с таким мощным инструментом, как JWST. Астрономы часто намеревались найти одно, а обнаружили то, чего они не ожидали. Именно это и произошло с HL Tau.
В этом случае JWST обнаружил звездную оболочку HL Tau, где падающий материал собирается вокруг все еще сливающейся молодой звезды. Этот материал со временем становится частью звезды, диска и планет.
Хотя астрономы, стоящие за всеми тремя статьями, надеялись найти планеты, это оказалось трудной задачей. Но чуткость JWST все же помогла им добиться прогресса.
«Отсутствие планет, обнаруженных во всех трех системах, говорит нам о том, что планеты, вызывающие дыры и спиральные рукава, либо слишком близки к своим звездам, либо слишком слабы, чтобы их можно было увидеть с помощью JWST», — сказал Вагнер, соавтор всех трех исследований. . «Если последнее верно, то это говорит нам о том, что они имеют относительно небольшую массу, низкую температуру, окутаны пылью или какой-то комбинацией этих трех факторов — как, вероятно, имеет место в случае с MWC 758».
Формирование планет может стать ключом к пониманию того, как на некоторых планетах появляется вода и как другие химические элементы распределяются в Солнечной системе. Астрономы полагают, что такие массивные газовые гиганты, как Юпитер, в конечном итоге регулируют движение и поток элементов. Но не у всех звезд есть такие массивные планеты.
«Только около 15 процентов звезд, подобных Солнцу, имеют планеты, подобные Юпитеру. Очень важно понять, как они формируются и развиваются, и усовершенствовать наши теории», — сказал UM Майкл Мейер, астроном Мичиганского университета и соавтор всех трех исследований. «Некоторые астрономы полагают, что эти газовые планеты-гиганты регулируют доставку воды к скалистым планетам, образующимся во внутренних частях дисков».
В каждом диске, который удается рассмотреть астрономам, они обнаруживают разрывы, кольца, а иногда и спирали и другие структуры, которые можно объяснить образованием планет-гигантов. Но они также не могут исключить и другие объяснения. И вот в чем проблема на данный момент.
«По сути, в каждом диске, который мы наблюдали с достаточно высоким разрешением и чувствительностью, мы видели большие структуры, такие как разрывы, кольца и, в случае SAO 206462, спирали», — сказал Куньо. «Большинство, если не все, эти структуры можно объяснить формированием планет, взаимодействующих с материалом диска, но существуют и другие объяснения, которые не предполагают наличие планет-гигантов».
Следующим шагом станет обнаружение этих массивных планет, формирующихся вокруг молодых звезд. Несмотря на то, что JWST их не нашел, они все же добились прогресса в этом вопросе. Вот как работает наука. Потому что, если астрономы в конечном итоге смогут увидеть некоторые из этих планет, они смогут распутать взаимосвязь между всеми другими особенностями, которые JWST наблюдал, и самими планетами.
«Если нам удастся наконец увидеть эти планеты, мы сможем связать некоторые структуры с образующимися спутниками и связать процессы формирования со свойствами других систем на гораздо более поздних стадиях», — сказал Куньо. «Наконец-то мы можем соединить точки и понять, как развиваются планеты и планетные системы в целом».
Будущие телескопы могут добиться еще большего прогресса. Чрезвычайно Большой Телескоп ESO будет исследовать самые ранние стадии формирования планет, а также обнаружит воду и органические химические вещества в протопланетных дисках. Его первый свет запланирован на 2028 год.
Гигантский Магелланов телескоп также будет изучать формирование планетных систем с помощью своего спектрографа ближнего инфракрасного диапазона. GMT увидит свой первый свет в 2030-х годах.
