Формирование планет оказалось гонкой с рассеянием газа

Газ, из которого могут сформироваться газовые гиганты, — ресурс временный. Молодые звёзды окружены вращающимися протопланетными дисками из газа и пыли, но такие диски постепенно теряют вещество под действием струй, ветров, аккреции на звезду и звёздного излучения.

Команда под руководством Намана Баджая из Университета Аризоны превратила этот процесс в своеобразную временную шкалу. Учёные изучили архивные данные инструмента MIRI — прибора среднего инфракрасного диапазона космического телескопа «Джеймс Уэбб» — для 72 наклонённых, преимущественно дисков класса II вокруг молодых звёзд, похожих на Солнце. Результаты опубликованы в The Astronomical Journal и показывают, что способы потери газа меняются по мере развития системы. 12

Главное: ядро планеты должно успеть раньше диска

Каменное ядро может превратиться в газовый гигант только в том случае, если успеет захватить массивную оболочку из водорода и гелия, пока в окружающем диске ещё достаточно газа. Если диск рассеется раньше, ядро, скорее всего, останется каменистым или станет небольшой планетой с бедной газовой оболочкой. Поэтому формирование гигантов выглядит как гонка между быстрым ростом оболочки и исчезновением газового резервуара. 12

Особенно наглядно это объясняет происхождение планет вроде Юпитера. Исследование не позволяет установить точную дату формирования Юпитера, но подтверждает ключевое условие: его ядро и массивная атмосфера должны были возникнуть, пока молодая Солнечная система ещё сохраняла значительный газовый диск. 12

Что «Уэбб» увидел в 72 системах

Исследователи использовали инфракрасное излучение молекул и атомов как индикатор вещества, покидающего диски. Расширенное излучение молекулярного водорода или ионизированного неона обнаружили в 66 из 72 систем. В частности, команда выявила:

• 46 конических ветров молекулярного водорода — более широких потоков вещества, уносящих газ из диска;
• 40 высокоскоростных струй ионизированного неона — более быстрых и узко сфокусированных потоков.

Каждая система с такой струёй также демонстрировала признаки более широкого ветра. В большинстве случаев его прослеживали по молекулярному водороду, а в остальных — по атомарному кислороду. Это связывает узкую быструю струю с более масштабным процессом, способным удалять газ из области формирования планет. 2

Наблюдения не представляют собой непрерывную съёмку одной системы от рождения до зрелости. Все 72 диска находятся на разных стадиях ранней эволюции. Сравнивая их, учёные получают эволюционную последовательность — набор отдельных кадров, по которому можно восстановить, как со временем меняется рассеяние диска. 12

С возрастом механизм потери газа меняется

Картина согласуется с двумя основными режимами очистки диска, которые последовательно действуют в течение первых нескольких миллионов лет жизни планетной системы. 1

Ранняя стадия: магнитные струи и молекулярные ветры

Системы с более высокой скоростью аккреции на звезду чаще демонстрировали струи и молекулярные ветры. Это соответствует раннему этапу, когда удалением вещества в основном управляют магнитогидродинамические, то есть магнитно обусловленные, струи и ветры. Они уносят газ в тот момент, когда диск ещё активно подпитывает молодую звезду. 12

Для растущего ядра планеты это критический период. Газа пока много, но одновременно среда уже начинает быстро его терять.

Поздняя стадия: ослабление струй и действие излучения

По мере снижения аккреции струи становятся слабее, а наиболее горячие молекулярные следы ветра исчезают первыми. В оставшихся потоках всё большую роль начинают играть атомы. Исследователи связывают это позднее состояние с усилением фотоиспарения — удаления газа под действием излучения звезды, когда диск становится более разреженным. 12

Речь не идёт о мгновенной замене одного механизма другим. Скорее, по мере эволюции системы меняется относительный вклад разных процессов рассеяния диска. Наблюдаемая последовательность помогает определить, когда происходит этот переход, хотя нынешняя статистика обнаружений ещё не даёт полного баланса массы, удаляемой каждым ветром. 12

Почему одни системы рождают гигантов, а другие — нет

Результаты предлагают физическое объяснение тому, почему похожие молодые системы могут сформировать совершенно разную планетную архитектуру. В одной из них ядро достаточно быстро набирает массу и запускает интенсивный захват газа. В другой диск теряет значительную часть газа ещё до достижения этого порога.

На исход могут влиять масса диска, скорость роста ядра, история аккреции звезды, сила магнитных потоков и уровень высокоэнергетического излучения. Новое исследование указывает, что рассеяние диска под действием ветров — важная часть этой картины, но не единственный фактор, определяющий появление газового гиганта. 2

Это помогает взглянуть и на историю Солнечной системы. Сейчас ей около 4,6 млрд лет, а исходный диск, из которого сформировались планеты, давно исчез. Современная архитектура системы стала результатом короткого раннего противостояния между ростом планет, падением вещества на молодое Солнце и утечкой газа через струи, ветры и излучение. 12

Что нужно измерить дальше

Определить, какие потоки появляются на разных стадиях эволюции, — лишь первый шаг. Само наличие ветра ещё не показывает, достаточно ли газа он удаляет, чтобы повлиять на формирование планет. Теперь команда планирует измерить темп потери массы для каждого потока и определить радиусы дисков, из которых эти ветры запускаются. 12

Такие данные позволят перейти от инфракрасных признаков к количественному вопросу: способны ли наблюдаемые потоки удалить газ настолько быстро, чтобы изменить вероятность появления планеты, похожей на Юпитер? Ответ поможет понять, является ли выявленная последовательность убедительной общей схемой или уже прямым измерением того, как рассеяние диска формирует окончательный облик планетных систем.