Телескоп Джеймса Вебба показав: планети-гіганти мають випередити зникнення газу

Газ, із якого можуть вирости планети-гіганти, — ресурс не безмежний. Молоді зорі оточені протопланетними дисками — обертовими структурами з газу й пилу, що слугують будівельним матеріалом для майбутніх планет. Але такі диски поступово втрачають речовину через струмені, зоряні вітри, падіння газу на зорю та випромінювання.

Дослідження під керівництвом Намана Баджая з Університету Аризони перетворює цей процес на своєрідну еволюційну шкалу. Науковці використали архівні спостереження середньоінфрачервоного інструмента MIRI на борту космічного телескопа Джеймса Вебба й проаналізували 72 нахилені, переважно диски класу II навколо молодих зір, подібних до Сонця. Результати опубліковано в The Astronomical Journal. 12

Головна ідея: ядро має випередити розсіювання диска

Кам’янисте ядро може перетворитися на газового гіганта лише за умови, що вчасно захопить значну оболонку з водню та гелію. Для цього навколишній диск ще повинен містити достатньо газу. Якщо ж диск спорожніє раніше, ядро, найімовірніше, залишиться кам’янистою планетою або стане меншим світом із бідною на газ атмосферою. 12

Отже, формування газового гіганта — це змагання між швидким нарощуванням атмосфери та розсіюванням газового резервуара. Саме так міг формуватися Юпітер: його ядро та масивна атмосфера мали виникнути ще до того, як молоде Сонце втратило значну частину протопланетного диска. Дослідження не встановлює точної дати формування Юпітера, однак підтверджує цю ключову умову. 12

Що Вебб побачив у 72 системах

Дослідники відстежували інфрачервоне випромінювання молекул і атомів, яке вказує на рух речовини від дисків. Розширене випромінювання молекулярного водню або іонізованого неону зафіксували у 66 із 72 систем. Команда виявила:

• 46 конічних вітрів молекулярного водню — ширших потоків, які виносять речовину з диска;
• 40 високошвидкісних струменів іонізованого неону — швидших і більш сфокусованих потоків.

У кожній системі, де спостерігався струмінь іонізованого неону, були також ознаки ширшого вітру. У більшості випадків його простежували за молекулярним воднем, а в решті — за атомарним киснем. Це пов’язує вузький швидкий струмінь із масштабнішим процесом, здатним забирати газ із середовища, де формуються планети. 2

72 диски не спостерігали безперервно від моменту народження до зрілості. Кожна система перебуває на іншому етапі ранньої еволюції, тому разом вони нагадують серію окремих кадрів. Порівнюючи ці «кадри», науковці відтворюють приблизну послідовність змін у часі. 12

З віком диска механізм втрати газу змінюється

Картина, яку виявило дослідження, узгоджується з двома основними режимами розсіювання диска, що послідовно діють протягом перших мільйонів років життя планетної системи. 1

Ранній етап: магнітні струмені та молекулярні вітри

У системах із вищою швидкістю падіння речовини на молоду зорю частіше спостерігали струмені та молекулярні вітри. Це відповідає ранньому етапу, коли магнітогідродинамічні, тобто магнітно зумовлені, струмені й вітри відіграють провідну роль у вилученні матеріалу з диска. Вони можуть забирати газ саме тоді, коли диск активно живить молоду зорю. 12

Для ядра, яке намагається стати газовим гігантом, це найнебезпечніша фаза. Газу ще багато, але середовище вже починає швидко його втрачати.

Пізній етап: слабші струмені та вплив випромінювання

Коли акреція — падіння речовини на зорю — сповільнюється, струмені слабшають, а ознаки гарячіших молекулярних вітрів зникають першими. Потоки стають дедалі більш атомарними. На думку дослідників, на цьому етапі важливішим стає випромінювання зорі, зокрема фот випаровування: воно нагріває верхні шари диска й допомагає газу залишати систему. 12

Це не означає, що один механізм миттєво вимикається, а інший одразу вмикається. Йдеться про поступову зміну їхнього відносного внеску в міру старіння системи. Спостереження допомагають визначити, коли відбувається цей перехід, хоча статистика виявлених потоків поки не дає повного балансу маси для кожного вітру. 12

Чому одні системи формують газові гіганти, а інші — ні

Результати пропонують фізичне пояснення того, чому подібні молоді системи можуть завершувати еволюцію з дуже різною архітектурою планет. Одна система здатна сформувати газового гіганта, якщо її ядро достатньо швидко набере масу й почне стрімко захоплювати оболонку. В іншій значна частина газу може зникнути ще до досягнення цього порога.

На результат можуть впливати маса диска, швидкість росту ядра, історія акреції, сила магнітних потоків і рівень високоенергетичного випромінювання зорі. Дослідження показує, що розсіювання диска вітрами є важливою частиною цієї картини, але не єдиним чинником, який визначає появу газового гіганта. 2

Це допомагає поглянути й на історію Сонячної системи. Їй приблизно 4,6 мільярда років, а початковий протопланетний диск давно зник. Сучасна будова системи — результат короткого раннього періоду, коли конкурували ріст планет, падіння речовини на молоде Сонце та втрата газу через струмені, вітри й випромінювання. 12

Що науковці вимірюватимуть далі

Виявити, які потоки характерні для різних етапів, — лише перший крок. Сам факт наявності вітру ще не показує, чи виніс він достатньо газу, щоб вплинути на формування планет. Тому команда планує виміряти швидкість втрати маси кожного потоку та визначити радіуси дисків, із яких ці вітри запускаються. 12

Такі дані дадуть змогу перейти від інфрачервоних ознак до кількісної перевірки: чи здатні спостережувані вітри достатньо швидко забрати газ, щоб змінити ймовірність появи планети на кшталт Юпітера? Відповідь допоможе з’ясувати, чи справді розсіювання диска визначає остаточну архітектуру планетних систем.