Как долго происходит формирование планет? Согласно новому исследованию — возможно, быстрее, чем мы думали. Наблюдения с помощью Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) показывают, что формирование планет вокруг молодых звёзд может начаться гораздо раньше, чем предполагали учёные.
Новые результаты были представлены на 243-м заседании Американского астрономического общества. Новые наблюдения представил Ченг-Хан Хсие (Cheng-Han Hsieh), кандидат наук в Йельском университете. «Ранние наблюдения ALMA за молодыми протопланетными дисками выявили множество красивых колец и разрывов — возможных мест формирования планет», — сказал он. «Мне было интересно, когда эти кольца и провалы начали появляться в дисках».
Хсие имеет в виду известные снимки протопланетных дисков, полученные с помощью ALMA, которые уже несколько лет не сходят с экранов. На этих снимках протопланетные диски вокруг молодых звёзд показаны с разрывами, которые, по мнению учёных, являются местом формирования планет.
Но это раннее изображение и подобные ему — это изображения дисков класса 2. Новые изображения, полученные с помощью ALMA, являются частью обзора CAMPOS (Corona australis, Aquila, chaMaeleon, oPhiuchus north, Ophiuchus, and Serpens), названного так по имени молекулярных облаков, изучаемых в рамках обзора. На них изображены диски класса 0 и класса 1, которые являются более молодыми. Классы означают возраст звёзд, на которых расположены диски. На самом деле, при таком молодом возрасте их даже нельзя назвать звёздами, они называются молодыми звёздными объектами (МЗО).
МЗО класса 2 — это протозвезда с видимой фотосферой. Но на новых снимках видны МЗО и диски, относящиеся к классам 0 и 1. В столь юном возрасте МЗО всё ещё находятся на стадиях коллапса и формирования.
Объект МЗО класса 0 существует всего около 10 000 лет, а класса 1 — несколько сотен тысяч лет. Поэтому обнаружение колец и разрывов в дисках вокруг этих чрезвычайно молодых звёздных объектов, по меньшей мере, удивительно. Если планеты формируются на столь раннем этапе жизни звёздной системы, это ставит под сомнение все наши представления о том, как образуются планеты.
Существует две теории формирования планет: аккреция ядра и гравитационная неустойчивость.
При аккреции ядра каменистое ядро образуется из столкнувшихся планетарных оболочек, и когда оно приобретает достаточную массу, то притягивает к себе газообразную оболочку. Учёные считают, что именно так формируются крупные газовые гиганты, такие как Юпитер.
При гравитационной неустойчивости протопланетный диск становится достаточно массивным, чтобы в нём образовались нестабильные и гравитационно связанные сгустки. Из этих сгустков и фрагментов в дальнейшем формируются планеты.
«Трудно обосновать формирование гигантских планет в течение миллиона лет, исходя из модели аккреции ядра», — говорит Ченг-Хан Хсие.
На пресс-конференции AAS, где он представлял свою работу, Хсие спросили, запечатлены ли на этих снимках первые этапы формирования планет. Возможно ли, что процесс начинается ещё раньше, а мы его просто не видим?
«Наше исследование ограничено угловым разрешением», — пояснил Хсие. «Наше угловое разрешение составляет около 15 AU, поэтому мы можем обнаружить только субструктуры, такие как кольца и разрывы размером более 8 AU. Для сравнения, расстояние между Солнцем и Сатурном составляет 9 AU. Так что если есть разрыв или кольцо больше, чем расстояние между Солнцем и Сатурном, то эти субструктуры мы сможем обнаружить».
«Мы не видим никаких субструктур в самых ранних системах, и это может быть связано с тем, что на ранних стадиях субструктуры меньше», — сказал Хсие.
Итан Сигель, ведущий блога «Starts With A Bang», задал Хсие ещё один важный вопрос. «Это здорово, что вы видите структуру, появляющуюся в этих ранних дисках», — сказал Сигел. «Есть ли какие-либо доказательства в пользу или против того, что то, что мы видим, является планетообразующей структурой, а не переходной особенностью, вырезанной в диске, которая будет смыта в ходе эволюции этой планетарной системы, как показывают некоторые моделирования?»
«В моделировании, если у вас есть планеты размером с Землю или Нептун внутри протопланетного диска, они начнут аккрецировать газ из окружающего газа, а затем со временем они вырежут прорехи и кольца», — сказал Хсие. «С другой стороны, различные нестабильности, такие как возмущения плотности или температуры, также могут вызывать субструктуры. Поэтому по наблюдениям очень сложно определить, вызваны ли эти субструктуры планетой или они происходят из-за нестабильности».
Хсие также пояснил, что точно сказать сложно и что это является предметом многочисленных исследований. Он также объяснил, как важно обнаружить разрывы и кольца, независимо от того, являются ли они планетами или какими-то нестабильностями.
На этом снимке ALMA показан протопланетный диск, окружающий молодую звезду HL Tauri. ALMA показывает некоторые субструктуры в диске, например, разрывы, в которых могут формироваться планеты. Только более качественные наблюдения могут в конечном итоге сказать нам, являются ли эти разрывы планетами, но даже если это не так, наличие разрывов указывает на то, что диск успокоился достаточно для формирования планет.
«Но всё равно очень важно определить, когда формируются эти субструктуры, потому что даже если мы не знаем, есть ли внутри них планета, это всё равно даёт нам временную шкалу формирования планет», — объясняет Хсие. Это потому, что ни планеты, ни какие-либо субструктуры не могут сформироваться, пока диск не успокоится и турбулентность не утихнет. Так что даже если это не совсем планеты, их присутствие указывает на то, что протопланетный диск успокоился настолько, что в нём начали формироваться структуры и планеты.
Если это планеты, то, как показывают снимки, они могут начать формироваться примерно через 300 000 лет жизни молодого звёздного объекта, на котором расположен диск. Только будущие наблюдения смогут сказать нам, действительно ли это планеты.
