72 молоді зоряні системи розкрили «гонку з часом» за формування газових гігантів

Дослідження показує, що протопланетні диски — газопилові структури, з яких формуються планети, — втрачають газ не одномоментно, а послідовно. На ранніх етапах їх очищують потужні магнітні потоки молекулярного й атомного газу. Пізніше, коли активність молодої зорі та приплив речовини до неї слабшають, залишковий газ починають виносити переважно атомні вітри, імовірно пов’язані з фот випаровуванням. 23

Це створює коротке «вікно» для формування газових гігантів: планети на кшталт Юпітера мають встигнути накопичити воднево-гелієву оболонку, перш ніж диск спорожніє.

Що виявив огляд 72 дисків

Команда використала архівні дані середньоінфрачервоного інструмента MIRI на борту космічного телескопа Джеймса Вебба. Дослідники вивчали 72 переважно диски класу II — відносно зрілі протопланетні диски навколо молодих зір, — які спостерігалися під значним нахилом. У 66 системах вдалося просторово розрізнити лінії випромінювання молекулярного водню (H₂) та іонізованого неону ([Ne II]). 3

• Конічні вітри, простежені за H₂, виявили у 46 дисках.
• Швидкі струмені [Ne II], спрямовані перпендикулярно до диска, зафіксували у 40 системах. 3
• У молодих зоряних системах, де акреція — падіння речовини з диска на зорю — ще активно триває, часто одночасно спостерігаються широкі молекулярні вітри та вузькі високошвидкісні неонові струмені. Така картина узгоджується з магнітогідродинамічним механізмом: газ прискорюється вздовж структур магнітного поля. 35

Молекулярний водень переважно простежує ширший і повільніший вітровий потік, тоді як неон на ранніх етапах краще показує швидкий струмінь. Інші спостереження JWST також вказують на вкладену структуру: вузький швидкий струмінь розташований усередині ширшого та повільнішого молекулярного потоку H₂. 7

Як змінюються вітри з віком зорі

У міру зменшення акреції виявлення швидких струменів [Ne II] та вітрів H₂ стає рідшим. Гарячіші компоненти молекулярного водню згасають швидше, ніж холодніші. Натомість у дисках із низькою акрецією частіше з’являються повільні низькошвидкісні потоки [Ne II] та інші атомні вітри. 3

Дослідники трактують це як еволюційну зміну основного механізму втрати газу. У перші кілька мільйонів років магнітні струмені та молекулярні вітри можуть бути достатньо потужними, щоб екранувати диск від рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання молодої зорі. Коли ці потоки слабшають і диск стає прозорішим, високоенергетичне випромінювання нагріває його поверхню. Частина газу отримує достатньо енергії, щоб залишити диск, — цей процес називають фот випаровуванням. 23

Чому це важливо для формування планет

Газовому гіганту на кшталт Юпітера потрібен достатньо масивний диск, щоб його тверде ядро змогло швидко накопичити атмосферу з водню та гелію. Коли струмені, магнітні вітри, а згодом і фот випаровування забирають цей резерв, тверде ядро вже не має достатньо газу для перетворення на газового гіганта. 2

Тому вирішальним є момент завершення формування ядра. Якщо воно набирає достатню масу рано, то може запустити швидке поглинання газу й вирости в планету-гіганта. Якщо ж подібне ядро формується пізніше, воно стикається зі збідненим або вже майже безгазовим диском і залишається меншою планетою з тонкою первинною атмосферою. Це висновок із зафіксованої послідовності еволюції дисків, а не пряме спостереження того, як конкретна планета змінює тип. 23

Для Сонячної системи, якій нині приблизно 4,5–4,6 мільярда років, результат означає, що молоде Сонце, імовірно, також пройшло через ранню фазу магнітних вітрів, а потім — через очищення диска фот випаровуванням. Отже, Юпітер мав сформувати свою масивну газову оболонку в перші кілька мільйонів років, до того як сонячна туманність втратила більшу частину газу. 2

Чого астрономам ще бракує

Огляд показав, як із віком змінюються наявність і форма струменів та вітрів, але поки що не дає повного балансу втрати маси. Для точніших висновків потрібні вимірювання, які одночасно розрізнятимуть газ у просторі та за швидкістю. Вони мають встановити:

• скільки маси виносить кожен струмінь або вітер;
• з яких радіусів і вертикальних шарів диска надходить речовина;
• якими є температура, швидкість та еволюція різних потоків;
• скільки насправді триває очищення диска — і коли завершується період, сприятливий для формування газових гігантів. 34

Надані матеріали поки не дають підстав назвати єдиний точний термін очищення для всіх протопланетних дисків або визначити кількісну швидкість втрати маси для кожного компонента вітру.