Ледяные кометы получают вклад от звездных печей

Фото из открытых источников

Кометы обитают в холодных областях Солнечной системы: в поясе Койпера и облаке Оорта. Иногда они пролетают через внутреннюю часть Солнечной системы, но в основном они держатся обособленно там, за пределами Солнечной системы. Эти грязные снежные комки представляют собой скопления камней и пыли, а также замерзших летучих веществ, таких как вода, углекислый газ, метан и аммиак. Они также содержат органические вещества.

Однако одним из ключевых компонентов комет являются кристаллические силикаты, и их присутствие создает загадочный парадокс. Они образуются только в чрезвычайно горячих средах, гораздо более горячих, чем пояс Койпера или облако Оорта.

Кристаллические силикаты — самый распространенный минерал на Земле, составляющий около 90% земной коры. Они являются частью каменистой планеты, мантия которой состоит из кристаллических силикатов. Такие планеты образуются во внутренней части Солнечной системы, где достаточно жарко для образования этих силикатов.

Как вещество, зародившееся в тепле, может проникнуть в такие холодные предметы?

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, предлагает объяснение этому явлению. Оно называется «Аккреционные вспышки приводят к кристаллизации силикатов в диске, формирующем планету», а ведущим автором является профессор Чон Ын Ли. Ли работает на кафедре физики и астрономии Сеульского национального университета в Южной Корее.

«Кристаллические силикаты образуются при высоких температурах (>900 К)», — пишут исследователи. «Их присутствие в кометах предполагает, что в ранней Солнечной системе происходила высокотемпературная обработка пыли, которая впоследствии переносилась в области образования комет».

Эти пылевые частицы редко встречаются в межзвездном пространстве, но обнаруживаются в ядрах комет. Например, исследование 2018 года выявило кристаллический оливин и кристаллический пироксен в ядре кометы 17P/Холмс.

Кристаллические силикаты должны образовываться вблизи Солнца и каким-то образом переноситься в область ледяных комет, но детали этого процесса так и не были четко раскрыты. «Однако прямые доказательства этой кристаллизации и перераспределения в протозвездах, подобных Солнцу, оставались неизвестными», — пишут авторы.

Исследователи использовали телескоп JWST для наблюдения за EC 53, периодически излучающей протозвездой, расположенной примерно в 1400 световых годах от нас. Во время вспышек звезды они обнаружили два кристаллических силиката, форстерит и энстатит, и только во время этих вспышек. «Появление этих структур указывает на активное образование кристаллов путем термического отжига во внутреннем горячем диске во время аккреционной вспышки», — объясняют исследователи.

«Даже меня, как учёного, поражает, что мы можем обнаружить в космосе определённые силикаты, включая форстерит и энстатит вблизи EC 53», — сказал соавтор исследования Дуг Джонстон из Национального исследовательского совета Канады. «Это распространённые минералы на Земле. Основной компонент нашей планеты — силикаты».

Силикат изначально представляет собой некристаллизованные аморфные частицы. Молодые звезды неравномерно аккрецируют вещество из своих аккреционных дисков, и в ходе этого процесса звезда испытывает вспышки светимости и тепла. Это может нагревать вещество в диске, плавя аморфные частицы, которые затем остывают и кристаллизуются. В 2008 году космический телескоп НАСА «Спитцер» наблюдал это явление вокруг EX Lupi, молодой звезды, похожей на Солнце, расположенной примерно в 500 световых годах от нас.

Процесс образования кристаллических силикатов достаточно хорошо изучен, но то, как они попадают в кометы, до сих пор оставалось более сложным для понимания.

Протозвезды во время вспышек не только нагревают свои диски. Они также известны своими сильными звездными ветрами, гораздо более мощными, чем спокойный солнечный ветер. В ходе этого исследования телескоп JWST обнаружил мощные выбросы из молодой звезды, достаточно сильные, чтобы доставить кристаллические силикаты во внешние области диска звезды.

«Слоистые выбросы EC 53 могут поднимать эти новообразованные кристаллические силикаты и переносить их наружу, словно по космической магистрали», — сказал Ли. «Вебб не только показал нам, какие именно типы силикатов находятся в пыли вблизи звезды, но и где они находятся как до, так и во время вспышки».

EC 53 — это молодая звезда, которая широко изучается. Хотя молодые протозвезды известны своими мощными вспышками, эти вспышки могут быть непредсказуемыми. Но не EC 53. Примерно каждые 18 месяцев она начинает вспышку длительностью 100 дней. Во время этих вспышек она быстро аккрецирует газ и пыль, одновременно выбрасывая избыточную энергию в виде ветра и полярных струй. Эти мощные выбросы могут выносить кристаллические силикаты в дальние области диска молодой звезды, где они могут быть поглощены при образовании комет.

«Невероятно впечатляет, что телескоп Уэбб не только может показать нам так много, но и указать, где что находится», — сказал соавтор исследования Джоэл Грин из Института космических телескопов в Балтиморе, штат Мэриленд. «Наша исследовательская группа составила карту движения кристаллов по всей системе. Мы фактически показали, как звезда создает и распределяет эти сверхтонкие частицы, каждая из которых значительно меньше песчинки».

Идея о том, что протозвезды создают кристаллические силикаты, а затем распространяют их с помощью своего звездного ветра, не нова. Однако найти доказательства того, что молодая звезда действительно делает это, оказалось непросто. Данное исследование и наблюдения телескопа JWST укрепили доказательства в поддержку этого процесса.

«Благодаря этим наблюдениям, я бы сказал, что мы значительно укрепили эту идею», — заявил соавтор исследования Дуг Джонстон. «Наблюдая за образованием кристаллических силикатов во время вспышки, мы уточняем, что внутренний диск является местом их образования. Затем, отсутствие этой особенности между вспышками предполагает, что они либо разрушаются, либо мигрируют внутрь или наружу».

«Тот факт, что мы также наблюдаем ветер, идущий от диска, дает нам четкий механизм для распространения наружу, в отличие от необходимости сначала миграции внутрь к струйному течению», — добавил Джонстон.

Однако исследователи также советуют проявлять необходимую осторожность в отношении полученных результатов. «Учитывая, что струя запускается с очень близкого расстояния от звезды, выживание кристаллических силикатов в таком путешествии отнюдь не гарантировано».

«Самое интересное в этих наблюдениях то, что они подтверждают образование кристаллических силикатов во внутренней части диска и показывают, что в той же системе существует дисковый ветер, способный выбрасывать эти кристаллические силикаты во внешнюю часть диска (хотя эта часть пока остается лишь предположением с нашей стороны)», — сказал Джонстон.

Эти результаты также относятся к ранним этапам развития нашей Солнечной системы и объясняют, как кристаллические силикаты оказываются в кометах на окраинах системы.

«Таким образом, наше открытие кристаллизации, происходящей во время вспышки аккреции погруженной в галактику протозвезды EC 53, предполагает, что прото-Солнце, вероятно, могло пережить аналогичную последовательность эпизодических событий аккреции на ранних этапах своей эволюции. Эти вспышки привели бы к образованию кристаллических силикатов в горячем, субауномном внутреннем диске и их переносу наружу, в холодные, кометообразующие области на расстоянии десятков а.е., с помощью магнитогидродинамических ветров диска», — заключают исследователи.