Каменистые планеты могли начать формироваться ещё до появления первых галактик

Фото из открытых источников

Как показало моделирование, одна взорвавшаяся звезда оставила после себя шесть масс Земли, состоящих из каменистых планетных частиц, всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Каменистые планеты в основном состоят из материала, образовавшегося внутри более ранних звёзд. Углерод, кислород и железо не существовали при зарождении Вселенной, поэтому астрономы долгое время относят формирование планет к позднему этапу космической истории.

Согласно новым компьютерным моделям, первые строительные блоки планеты образовались примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, в обломках одной взорвавшейся звезды. Ничего из этого не было видно в телескоп. Эдуард Воробьев из Института астро- и физики элементарных частиц в Инсбруке вместе с семью коллегами провел расчеты диска. В результате они получили возможную историю, а не результаты наблюдений.

Дэниел Уэйлен из Института космологии и гравитации Портсмутского университета является соавтором. Крис Джессоп руководил первым этапом моделирования.

«Чтобы представить это в перспективе, стоит отметить, что Вселенной около 13,8 миллиардов лет, так что это удивительно ранний период в космической истории», — сказал Уэйлен.

Сто миллионов лет — это менее 1% от этого периода.

Первые звёзды были огромными и быстро гасли. Самая большая из них, масса которой составляла от 120 до 260 масс Солнца, закончилась взрывами, которые разорвали звезду на части, не оставив после себя ничего, даже чёрной дыры.

Один взрыв может выбросить в атмосферу более чем 100 солнечных масс тяжелых элементов. Это едва ли изменит средний уровень элементов во Вселенной в целом. В результате этого газ обогащается и накапливается в окружающей среде, достигая концентраций, близких к тем, что содержатся в Солнце.

Мухаммад Латиф из Университета Объединенных Арабских Эмиратов, один из соавторов, ранее показал, что подобный карман может коллапсировать, образуя новые звезды в течение нескольких миллионов лет.

Моделирование, охватывающее огромные объемы ранней Вселенной, не позволяет выявить столь малые области. В них металлы, по-видимому, медленно накапливались на гораздо больших территориях, и на этом основании астрономы пришли к выводу, что формирование планет достигло пика только тогда, когда Вселенной исполнилось половина ее нынешнего возраста.

Команда начала работу с одного плотного сгустка в расширяющейся оболочке такого взрыва, содержащего примерно количество газа и пыли, равное солнечному объему. Затем они позволили гравитации притянуть его внутрь.

Протозвезда появилась через 24 000 лет после начала коллапса. Через тысячу лет вокруг неё сформировался диск, и к концу этого периода масса звезды достигла 0,4 массы Солнца, и она всё ещё продолжала питаться.

В течение 21 000 лет после рождения звезды в диске образовались спиральные рукава. Эти рукава хорошо перемещают вещество внутрь во внешней части диска и плохо — вблизи звезды, поэтому дрейфующая пыль там замедлялась и скапливалась, вместо того чтобы падать внутрь.

Внутри этого затормозившегося кольца зерна продолжали сталкиваться и слипаться, пока некоторые из них не достигли размера более 1 см. Зерна такого размера перестают двигаться вместе с газом и начинают вести себя как мелкие твердые тела.

Плотное кольцо из них нестабильно и распадается на планетезималы: объекты, которые затем сталкиваются друг с другом, образуя планеты. Образовалось около шести масс Земли, образуя полосу, простирающуюся от половины расстояния Земли от Солнца до него целиком.

Авторы подсчитали, что шести земных масс достаточно, чтобы сформировать каменистую планету размером между Марсом и Землей. Это происходит за счет медленного роста в результате столкновений, наблюдаемого в более молодых дисках.

Авторы попробовали другие предположения, и общая масса изменилась. Более медленные столкновения между частицами уменьшили её до 1,5 земных масс, а при уменьшении количества пыли вдвое диск всё ещё достигал 3,5.

Процесс образования звезды длился недолго. Примерно через 40 000 лет после образования звезды внутренний диск начал вспыхивать. В каждой вспышке звезда поглощала вещество в 10-100 раз быстрее, чем обычно.

Вспышки нагрели самый внутренний диск до температуры выше 727°C. Этого достаточно, чтобы испарить пыль, поэтому каждая вспышка уничтожала часть исходного материала. Примерно через 37 000 лет общая масса планетезималов перестала расти.

Авторам нравится такой короткий промежуток времени. Вещество проводит в диске всего несколько десятков тысяч лет, чего недостаточно для химической переработки. Поэтому эти планетезималы должны сохранять химический состав, сформировавшийся в результате взрыва.

Исследование прекращается примерно через 100 000 лет, когда половина первоначального скопления оседает на звезде и её диске. Авторы говорят, что при более длительном исследовании или с более высоким разрешением на больших расстояниях они могут обнаружить что-то другое.

Вода замерзает на пылевых частицах только на расстоянии, превышающем определенное расстояние от звезды, где достаточно холодно. В этом диске эта граница находилась в несколько раз дальше, чем кольцо, где образовались планетезималы. Поэтому сами планетезималы оказались сухими.

Диск вокруг них таковым не являлся. Вода составляла примерно одну часть из 10 000 его массы, что всего в несколько раз меньше, чем масса Солнечной системы сегодня.

«Что особенно удивительно, диск также содержал значительное количество воды, всего в несколько раз меньше, чем было во время формирования нашей Солнечной системы», — сказал Уэйлен.

Авторы предлагают обходной путь. Каменистые ядра, образующиеся из сухих планетезималов, могут позже поглотить воду из ледяных тел, перемещающихся с холодного внешнего диска. Земля, возможно, получила часть своей воды аналогичным образом, благодаря богатому водой материалу, поступившему во время и после её образования.

В ходе моделирования пыль превращается в планетезималы, а затем моделирование прекращает следовать за ними. Для того чтобы определить, превратилась ли какая-либо из них в планету, необходим код, отслеживающий столкновения тысяч тел на протяжении миллионов лет, и никто не запускал его на этом диске.

Магнитные поля — ещё один открытый вопрос. Команда протестировала приблизительную версию магнитного перемешивания, которое предотвращает накопление пыли, и планетезималы всё же образовались, хотя и всего около 0,7 земной массы.

Звезда массой 0,4 солнечной массы, образовавшаяся на столь ранней стадии, продолжала бы гореть и сегодня. Эти взрывы также оставляют после себя химический след, отдавая предпочтение элементам с четными номерами по сравнению с элементами с нечетными. Обнаружение этого химического признака в древней звезде в гало Млечного пути может указывать на систему, где планеты начали формироваться на заре космоса.

«Если это так, то возникает интригующий вопрос: могли ли потенциально обитаемые миры появиться гораздо раньше в истории Вселенной?» — добавил Уэйлен.

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно его найти. Телескопы, созданные для поиска малых планет вокруг старых, бедных металлами звезд, включая телескоп PLATO Европейского космического агентства, — это те, которые могли бы это сделать. До настоящего времени ранняя Вселенная отдавала свои звезды гораздо чаще, чем планеты.