Вчені спостерігають за трьома кільцями в планетоутворюючому диску

Походження Землі та Сонячної системи надихає вчених і громадськість. Вивчаючи поточний стан нашої рідної планети та інших об’єктів у Сонячній системі, дослідники розробили детальну картину умов, коли вони еволюціонували з пилового та газового диска, що оточував новонароджене сонце, близько 4,5 мільярдів років тому.

З приголомшливим прогресом, досягнутим у дослідженні формування зірок і планет, спрямованому на віддалені небесні об’єкти, тепер ми можемо досліджувати умови середовища навколо молодих зірок і порівнювати їх з умовами, отриманими для ранньої Сонячної системи. Використовуючи дуже великий телескоп-інтерферометр (VLTI) Європейської південної обсерваторії (ESO), міжнародна група дослідників на чолі з Йожефом Варгою з обсерваторії Конколі в Будапешті, Угорщина, зробила саме це. Вони спостерігали планетоутворюючий диск молодої зірки HD 144432, приблизно за 500 світлових років від нас.

«Під час вивчення розподілу пилу в найглибшій області диска ми вперше виявили складну структуру, в якій пил накопичується в трьох концентричних кільцях у такому середовищі», — говорить Рой ван Бокель. Він є вченим в Інституті астрономії Макса Планка (MPIA) у Гейдельберзі, Німеччина, і співавтором дослідницької статті, яка буде опублікована в журналі Astronomy & Astrophysics .

«Цей регіон відповідає зоні, де сформувалися скелясті планети Сонячної системи», — додає ван Бокель. Порівняно з Сонячною системою, перше кільце навколо HD 144432 лежить в межах орбіти Меркурія, а друге — близько до траєкторії Марса. Крім того, третє кільце приблизно відповідає орбіті Юпітера.

Дотепер астрономи знаходили такі конфігурації переважно у великих масштабах, що відповідають сферам за межами, де Сатурн обертається навколо Сонця. Кільцеві системи в дисках навколо молодих зірок зазвичай вказують на планети, які утворюються в проміжках, коли вони накопичують пил і газ на своєму шляху.

Однак HD 144432 є першим прикладом такої складної кільцевої системи так близько до своєї головної зірки. Це відбувається в зоні, багатій пилом, будівельним матеріалом кам’янистих планет, таких як Земля. Припустивши, що кільця вказують на наявність двох планет, що утворюються в проміжках, астрономи оцінили їхню масу як приблизно схожу на масу Юпітера.

Умови можуть бути подібні до ранньої Сонячної системи

Астрономи визначили склад пилу на диску до відстані від центральної зірки, що відповідає відстані Юпітера від Сонця. Те, що вони знайшли, добре знайоме вченим, які вивчають Землю та кам’янисті планети Сонячної системи: різні силікати (сполуки металу, кремнію та кисню) та інші мінерали, присутні в земній корі та мантії, і, можливо, металеве залізо, яке присутнє в Меркурії та Землі. ядер. Якщо це буде підтверджено, це дослідження стане першим, у якому було виявлено залізо в планетоутворюючому диску.

«Наразі астрономи пояснюють спостереження пилових дисків із сумішшю вуглецю та силікатного пилу, матеріалів, які ми бачимо майже всюди у Всесвіті», — пояснює ван Бекель. Однак, з хімічної точки зору, суміш заліза та силікату більш правдоподібна для гарячих внутрішніх областей диска.

Дійсно, хімічна модель, яку Варга, головний автор дослідницької статті, застосував до даних, дає кращі результати при введенні заліза замість вуглецю.

Крім того, пил, який спостерігається на диску HD 144432, може бути гарячим до 1800 Кельвінів (приблизно 1500 градусів Цельсія) на внутрішньому краю та помірним до 300 Кельвінів (приблизно 25 градусів Цельсія) далі. Мінерали та залізо плавляться та повторно конденсуються, часто у вигляді кристалів, у гарячих областях поблизу зірки.

У свою чергу, вуглецеві зерна не витримають спеки і замість цього будуть присутні у вигляді чадного або вуглекислого газу. Однак вуглець все ще може бути суттєвою складовою твердих частинок у холодному зовнішньому диску, що спостереження, проведені для цього дослідження, не можуть простежити.

Пил, багатий на залізо та бідний вуглецем, також чудово підійде до умов Сонячної системи. Меркурій і Земля є багатими на залізо планетами, тоді як Земля містить відносно мало вуглецю. «Ми вважаємо, що диск HD 144432 може бути дуже схожим на ранню сонячну систему, яка забезпечувала багато заліза скелястим планетам, які ми знаємо сьогодні», — говорить ван Бокель. «Наше дослідження може служити ще одним прикладом того, що склад нашої Сонячної системи може бути досить типовим».

Інтерферометрія розпізнає дрібні деталі

Відновлення результатів було можливим лише за допомогою спостережень із виключно високою роздільною здатністю, як це надає VLTI. Об’єднавши чотири 8,2-метрові телескопи VLT в обсерваторії Паранал ESO, вони можуть розрізняти деталі так, ніби астрономи використовували б телескоп із головним дзеркалом діаметром 200 метрів. Варга, ван Бокель та їхні співробітники отримали дані за допомогою трьох інструментів для досягнення широкої довжини хвилі в діапазоні від 1,6 до 13 мікрометрів, що представляє інфрачервоне світло.

MPIA надала життєво важливі технологічні елементи для двох пристроїв: GRAVITY та Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Однією з головних цілей МАТІСС є дослідження скелястих зон формування планет дисків навколо молодих зірок. «Дивлячись на внутрішні області протопланетних дисків навколо зірок, ми прагнемо дослідити походження різноманітних мінералів, що містяться в диску — мінералів, які згодом утворять тверді компоненти таких планет, як Земля», — каже Томас Хеннінг, директор MPIA та ко-ПІ приладу MATISSE.

Однак створення зображень за допомогою інтерферометра, подібного до тих, які ми звикли отримувати з окремих телескопів, не є простим і вимагає багато часу. Більш ефективне використання дорогоцінного часу спостереження для розшифровки структури об’єкта полягає в тому, щоб порівняти розріджені дані з моделями потенційних цільових конфігурацій. У випадку диска HD 144432 структура з трьома кільцями найкраще представляє дані.

Наскільки поширені структуровані, багаті залізом планетоутворюючі диски?

Окрім Сонячної системи, HD 144432, здається, є ще одним прикладом формування планет у середовищі, багатому залізом. Однак на цьому астрономи не зупиняться.

«У нас все ще є кілька перспективних кандидатів, які чекають, поки VLTI придивиться до них ближче», — зазначає ван Бокель. У попередніх спостереженнях команда виявила кілька дисків навколо молодих зірок, які вказують на конфігурації, які варто переглянути. Однак вони розкриють їх детальну структуру та хімічний склад за допомогою найновішого обладнання VLTI. Згодом астрономи зможуть з’ясувати, чи зазвичай планети утворюються в багатих залізом пилових дисках поблизу своїх батьківських зірок.