JWST раскрывает новые факты о формировании планетных систем

Каждую секунду во Вселенной образуется более 3000 новых звезд, когда облака пыли и газа подвергаются гравитационному коллапсу. После этого оставшаяся пыль и газ оседают в закрученный диск, который питает рост звезды и в конечном итоге аккрецирует, образуя планеты – иначе известные как протопланетные диски. Хотя эта модель, известная как небулярная гипотеза, является наиболее широко принятой теорией, точные процессы, которые приводят к появлению звезд и планетных систем, еще не полностью изучены. Пролить свет на эти процессы – одна из многих целей космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST).

В недавнем исследовании международная группа астрономов под руководством исследователей из Университета Аризоны и при поддержке ученых из Института астрономии Макса Планка (MPIA) использовала передовую инфракрасную оптику JWST для изучения протопланетных дисков вокруг новых звезд. Эти наблюдения дали наиболее детальное представление о газовых потоках, которые формируют и формируют протопланетные диски с течением времени. Они также подтверждают то, что ученые теоретизировали в течение длительного времени, и предлагают подсказки о том, как выглядела наша Солнечная система примерно 4,6 миллиарда лет назад.

Исследованием руководила Илария Паскуччи, профессор астрофизики и планетологии из Лаборатории луны и планет (LPL) Университета Аризоны. К ней присоединились исследователи из Института науки космического телескопа (STScI), Парижской обсерватории, Национальной лаборатории оптико-инфракрасной астрономии (NOIRLab), Центра Карла Сагана в Институте SETI, Института астрономии Макса Планка и нескольких университетов. Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в журнале Nature Astronomy.

Для того чтобы молодые звезды росли, они должны втягивать газ из окружающего их протопланетного диска. Для этого газ должен потерять угловой момент (инерцию); в противном случае он будет постоянно вращаться вокруг звезды и никогда не аккрецировать на нее. Однако механизм, который позволяет этому происходить, остается предметом споров среди астрономов. В последние годы в качестве возможного механизма появились магнитно-управляемые дисковые ветры. В первую очередь приводимые в действие магнитными полями, эти «ветры» направляют потоки газа от диска, формирующего планеты, в космос со скоростью десятков километров в секунду.

Это приводит к потере углового момента, что позволяет оставшемуся газу падать внутрь к звезде. Для своего исследования ученые выбрали четыре протопланетные дисковые системы, которые кажутся обращенными к ребру при наблюдении с Земли. Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRSpec), команда смогла отследить различные слои ветра, настроив инструмент на обнаружение отдельных атомов и молекул в определенных переходных состояниях. Команда также получила пространственно разрешенную спектральную информацию по всему полю зрения с помощью интегрального полевого блока спектрографа (IFU).

Это позволило команде проследить дисковые ветры в беспрецедентных подробностях и выявить сложную трехмерную слоистую структуру: центральная струя, вложенная в конусообразную оболочку ветров на увеличивающихся расстояниях. Команда также отметила выраженное центральное отверстие внутри конусов во всех четырех протопланетных дисках. По словам Паскуччи, одним из самых важных процессов является то, как звезда аккрецирует вещество из окружающего ее диска: «То, как звезда аккрецирует массу, оказывает большое влияние на то, как окружающий диск развивается с течением времени, включая то, как впоследствии формируются планеты. Конкретные способы, которыми это происходит, пока не изучены, но мы считаем, что ветры, движущиеся магнитными полями по большей части поверхности диска, могут играть очень важную роль».

Однако за формирование протопланетных дисков отвечают и другие процессы. К ним относится «X-ветер», когда магнитное поле звезды выталкивает материал наружу на внутреннем крае диска. Существуют также «тепловые ветры», которые дуют с гораздо меньшей скоростью и вызваны интенсивным звездным светом, разрушающим его внешний край. Высокая чувствительность и разрешение JWST идеально подходят для различения ветра, вызванного магнитным полем, X-ветра и теплового ветра. Эти наблюдения выявили вложенную структуру различных компонентов ветра, которая никогда ранее не наблюдалась.

Важнейшее различие между магнитно-управляемыми и X-ветрами заключается в том, что они расположены дальше и охватывают более обширные регионы. Эти ветры охватывают регионы, которые соответствуют внутренним каменистым планетам нашей солнечной системы, примерно между Землей и Марсом. Они также простираются дальше над диском, чем тепловые ветры, достигая в сотни раз расстояния между Землей и Солнцем. Хотя астрономы ранее находили наблюдательные свидетельства этих ветров на основе интерферометрических наблюдений на радиоволнах, они не могли получить детальные изображения всего диска, чтобы определить морфологию ветров.

Напротив, новые наблюдения JWST выявили вложенную структуру и морфологию, которые соответствовали тому, что астрономы ожидали для магнитно-управляемого дискового ветра. Заглядывая вперед, Паскуччи и ее команда надеются расширить эти наблюдения на большее количество протопланетных дисков, чтобы увидеть, насколько распространены наблюдаемые структуры дискового ветра и как они развиваются.

«Наши наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что мы получили первые подробные изображения ветров, которые могут устранить угловой момент и решить давнюю проблему формирования звезд и планетных систем», — сказала она. «Мы считаем, что они могут быть обычным явлением, но с четырьмя объектами это немного сложно сказать. Мы хотим получить более крупную выборку с помощью JWST, а затем также посмотреть, сможем ли мы обнаружить изменения в этих ветрах по мере того, как собираются звезды и формируются планеты».